DE102020118108A1 - Boost converter for a power supply for an electrical load, and power supply and method for boosting the input voltage in a power supply for an electrical load - Google Patents

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Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Aufwärtswandler für eine Stromversorgungseinheit mit zwei Hochsetzstellerstufen (HSa, HSb), wobei pro Hochsetzstellerstufe eine Induktivität (L1a, L1b) vorgesehen ist, wobei die Induktivität jeweils an einen Pol der Wechselspannungsquelle (ACin) geschaltet ist und an einen Knotenpunkt (P1a, P1b) zwischen zwei Halbleiterschaltern (S1a, S2a; S1b, S2b). Gemäß der Erfindung ist der erste Halbleiterschalter (S1a, S1b) in Reihe mit einem Messwiderstand (R1a, R1b) geschaltet. Der Aufwärtswandler weist eine Signalerzeugungseinheit (110) zur Erzeugung von Ansteuersignalen für die beiden Halbleiterschalter pro Hochsetzstellerstufe auf, wobei zur Aufwärtswandlung der Eingangsspannung bei positiver Eingangsspannung (Vin) der erste Halbleiterschalter (S1a) geschlossen wird und der zweite Halbleiterschalter (S2a) geöffnet wird, um einen Strom durch die Induktivität (L1a) zu treiben zur Aufmagnetisierung der Induktivität (L1a). Zur Abmagnetisierung wird der erste Halbleiterschalter (S1a) geöffnet und der zweite Halbleiterschalter (S2a) geschlossen und der Siebkondensator (C1) entsprechend aufgeladen. Mit einem Mittel wird der Strom durch den Messwiderstand (R1) erfasst. Erfindungsgemäß weist die Signalerzeugungseinheit (110) eine Ansteuereinheit (113a, 113b) auf, die die Hochsetzstellerstufen mit einer gewählten Phasenverschiebung gegeneinander versetzt ansteuert, und die Periodendauer der Ansteuersignale in der einen Hochsetzstellerstufe (HSa, HSb) regelt und in der wenigstens einen anderen Hochsetzstellerstufe (HSa, HSb) konstant hält oder umgekehrt. Dieser Aufwärtswandler (100) dient z.B. als Leistungsfaktor-Vorregler bei Stromversorgungen.The invention relates to a step-up converter for a power supply unit with two step-up converter stages (HSa, HSb), with one inductor (L1a, L1b) being provided for each step-up converter stage, with the inductor being connected to one pole of the AC voltage source (ACin) and to a node ( P1a, P1b) between two semiconductor switches (S1a, S2a; S1b, S2b). According to the invention, the first semiconductor switch (S1a, S1b) is connected in series with a measuring resistor (R1a, R1b). The step-up converter has a signal generation unit (110) for generating drive signals for the two semiconductor switches per step-up converter stage, with the first semiconductor switch (S1a) being closed and the second semiconductor switch (S2a) being opened to step-up the input voltage when the input voltage (Vin) is positive drive a current through the inductor (L1a) to magnetize the inductor (L1a). For demagnetization, the first semiconductor switch (S1a) is opened and the second semiconductor switch (S2a) is closed and the filter capacitor (C1) is charged accordingly. The current through the measuring resistor (R1) is recorded with a means. According to the invention, the signal generation unit (110) has a drive unit (113a, 113b) which drives the step-up converter stages offset from one another with a selected phase shift and regulates the period of the drive signals in one step-up converter stage (HSa, HSb) and in the at least one other step-up converter stage ( HSa, HSb) keeps constant or vice versa. This step-up converter (100) is used, for example, as a power factor pre-regulator in power supplies.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Aufwärtswandler für eine Stromversorgung zur Versorgung eines elektrischen Verbrauchers. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Stromversorgung, die einen Aufwärtswandler gemäß der Erfindung aufweist. Dabei kann der Aufwärtswandler insbesondere als Leistungsfaktor-Vorregler in einem Schaltnetzgerät eingesetzt werden. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Aufwärtswandlung der Eingangsspannung in einer Stromversorgung eines elektrischen Verbrauchers.The present invention relates to a step-up converter for a power supply for supplying an electrical load. The invention further relates to a power supply comprising a boost converter according to the invention. In this case, the step-up converter can be used in particular as a power factor pre-regulator in a switched-mode power supply. The invention also relates to a method for step-up conversion of the input voltage in a power supply of an electrical consumer.

Stromversorgungen sind für vielfältige Bereiche und Einsatzzwecke erforderlich. Da der Begriff Stromversorgung vielfältig verwendet wird, wird im Folgenden der Begriff Stromrichter verwendet. Sie haben die Aufgabe, den Stromfluss zwischen Stromquelle und Last zu steuern oder von einer Stromart in eine andere umzuformen. Sie gehören zum Teilgebiet der Leistungselektronik innerhalb der Elektrotechnik. Es gibt folgende Arten von Stromrichtern: Gleichrichter, Wechselrichter, Gleichstrom-Umrichter und Wechselstrom-Umrichter. Zu diesen verschiedenen Stromrichtern gehören auch die Netzgeräte, die auch als Netzteile bezeichnet werden. Sie haben die Aufgabe, elektronische Betriebsmittel mit einer Gleichspannung zu versorgen. Man unterscheidet lineare Netzgeräte und Schaltnetzgeräte. Die Schaltnetzgeräte gehören gleichzeitig zu den geregelten Netzgeräten.Power supplies are required for a wide range of areas and purposes. Since the term power supply is used in many ways, the term converter is used below. Their job is to control the flow of current between the power source and the load, or to convert it from one type of current to another. They belong to the sub-area of power electronics within electrical engineering. There are the following types of power converters: rectifiers, inverters, DC converters and AC converters. These different power converters also include the power supply units, which are also referred to as power supply units. They have the task of supplying electronic equipment with direct current. A distinction is made between linear power supplies and switched-mode power supplies. The switched-mode power supplies also belong to the regulated power supplies.

Die 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Schaltnetzgerätes. Es besteht aus den Komponenten Gleichrichtung 10, Gleichstromsteller 20, Leistungsübertragungsstufe 30, Glättung 40, Regelstufe 50, Potenzialtrennung 60 und Steuerung 70. Am Eingang des Schaltnetzgerätes steht die Netzspannung aus dem öffentlichen Stromversorgungsnetz an. Als Beispiel wird die Wechselspannung mit dem Effektivwert von 230 V und einer Netzfrequenz von 50 Hz genannt. In der Gleichrichterstufe 10 können die folgenden drei Komponenten vorhanden sein, Netzfilter 1, Gleichrichter 2 und Siebkondensator 3. Am Ausgang der Gleichrichterstufe 10 steht eine hohe Gleichspannung an, die z.B. den Spannungswert 400 V betrifft. Diese Gleichspannung wird durch den Gleichstromsteller 20 in ein Rechtecksignal zerhackt. Darin befindet sich ein Leistungstransistor, z.B. bipolarer Transistor 4, MOSFET-Transistor, entsprechend Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, Thyristor oder IGBT, entsprechend Insulated Gate Bipolar Transistor, der durch Schaltvorgänge das Rechtecksignal erzeugt. Durch Verändern des Tastgrades des Rechtecksignales lassen sich verschiedene Spannungen und Ströme und damit auch verschiedene Leistungen einstellen. Für die Ansteuerung der Leistungsschalter werden hauptsächlich die Techniken Pulsweiten-Modulation (PWM) und Pulsfolge-Modulation (PFM) eingesetzt.the 1 shows the basic structure of a switched-mode power supply. It consists of the components rectification 10, DC converter 20, power transmission stage 30, smoothing 40, control stage 50, electrical isolation 60 and control 70. The mains voltage from the public power supply network is present at the input of the switched-mode power supply. The AC voltage with an effective value of 230 V and a mains frequency of 50 Hz is given as an example. The following three components can be present in the rectifier stage 10: mains filter 1, rectifier 2 and filter capacitor 3. A high DC voltage is present at the output of the rectifier stage 10, which relates to the voltage value 400 V, for example. This DC voltage is chopped up by the DC converter 20 into a square-wave signal. It contains a power transistor, eg bipolar transistor 4, MOSFET transistor corresponding to Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, thyristor or IGBT, corresponding to Insulated Gate Bipolar Transistor, which generates the square-wave signal by switching operations. By changing the duty cycle of the square-wave signal, different voltages and currents and thus also different power levels can be set. Pulse width modulation (PWM) and pulse train modulation (PFM) techniques are mainly used to control the circuit breakers.

Für Netzgeräte, die für Leistungsbereiche von 75 W und mehr ausgelegt sind, ist es Vorschrift, dass sie mit der PFC-Technik, entsprechend Power Factor Correction ausgestattet werden, um Rückwirkungen auf das Stromversorgungsnetz durch Erzeugen von Oberschwingungen zu vermeiden. Dies wird auch in der europäischen Norm EN61000-3-2 definiert. Dafür wird häufig eine aktive PFC-Schaltung eingesetzt. Diese besteht aus einer Art zusätzliches Schaltnetzteil, das dem eigentlichen vorgeschaltet ist, und dafür sorgt, dass der aufgenommene Strom der sinusförmigen Netzspannung entspricht. Der Strom folgt dadurch einem Verlauf, wie ihn ein Widerstand an der aktuellen Netzspannung hervorrufen würde. Somit wird bei einer nicht genau sinusförmigen Netzspannung, wie sie in Stromnetzen häufig vorkommt, der tatsächliche Verlauf - nicht der idealisierte - der Netzspannung nachgefahren. Der Leistungsfaktor bleibt dabei nahe bei Eins und es entstehen weniger Oberschwingungen. Diese könnten sich sonst „Aufschaukeln“ und zur Überlastung des Stromnetzes führen. Der Leistungsfaktor gibt dabei das Verhältnis von Wirkleistung zu Scheinleistung an. Ist die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung Null, sind Wirkleistung und Scheinleistung gleich und der Leistungsfaktor bleibt bei Eins. Wenn zwischen Spannung und Strom merkliche Phasenunterschiede bestehen, fließt Leistung zurück zum Elektrizitätswerk und der Leistungsfaktor sinkt unter Eins. Aktive PFC-Schaltungen bestehen in der Regel aus einem Gleichrichter mit direkt nachgeschaltetem Aufwärtswandler, der einen Kondensator 3 mit großer Kapazität auf eine Spannung oberhalb der Scheitelspannung der Netzwechselspannung, z.B. 400 V auflädt. Aus diesem wird dann der eigentliche Verbraucher (Schaltnetzteil oder z. B. elektronisches Vorschaltgerät von Leuchtstofflampen) versorgt. Ein Aufwärtswandler wird auch als Hochsetzsteller bezeichnet. Es handelt sich um einen Sperrwandler, bei dem eine Spule einen Strom durch die Last treibt, wenn der Schalttransistor sperrt.For power supply units that are designed for power ranges of 75 W and more, it is mandatory that they be equipped with PFC technology, corresponding to power factor correction, in order to avoid repercussions on the power supply network through the generation of harmonics. This is also defined in the European standard EN61000-3-2. An active PFC circuit is often used for this. This consists of a kind of additional switched-mode power supply, which is connected upstream of the actual one and ensures that the current drawn corresponds to the sinusoidal mains voltage. As a result, the current follows a course that would be caused by a resistance in the current mains voltage. In this way, if the mains voltage is not exactly sinusoidal, as is often the case in power grids, the actual progression - not the idealized one - of the mains voltage is traced. The power factor remains close to unity and there are fewer harmonics. Otherwise, they could "build up" and overload the power grid. The power factor indicates the ratio of active power to apparent power. If the phase shift between current and voltage is zero, real power and apparent power are equal and the power factor remains at unity. When there is a noticeable phase difference between voltage and current, power flows back to the utility and the power factor drops below unity. Active PFC circuits usually consist of a rectifier with a step-up converter connected directly downstream, which charges a large-capacitance capacitor 3 to a voltage above the peak voltage of the AC mains voltage, e.g. 400 V. This is then used to supply the actual consumer (switched-mode power supply or e.g. electronic ballast for fluorescent lamps). A step-up converter is also referred to as a step-up converter. It is a flyback converter in which an inductor drives a current through the load when the switching transistor is off.

Die 2 zeigt das Prinzipschaltbild eines Aufwärtswandlers, der in einer solchen aktiven PFC-Schaltung eingesetzt werden kann. Durch den Betrieb von Hochsetzstellerschaltungen im sogenannten Boundary Conduction Mode, wird ein verlustarmes Schalten, von üblicherweise eingesetzten MOSFET Halbleiterschaltern S, erreicht. Hierbei wird der Hochsetzsteller 100 in der Nähe der Lückgrenze des Drosselstroms IL so betrieben, dass sowohl stromloses Einschalten, sogenanntes „Zero Current Switching“ (ZCS) als auch spannungsloses Einschalten, sogenanntes „Zero Voltage Switching“ (ZVS) des Schalters S ermöglicht wird. Die Drossel L1 des Hochsetzstellers 100 sowie die Ausgangskapazität des Halbleiterschalters COsc bilden dabei einen Serienresonanzschwingkreis. Dieser Schwingkreis wird innerhalb der halben Periodendauer seiner Eigenfrequenz umgeladen, so dass bei Vorzeichenwechsel des Drosselstroms IL die Ausgangskapazität COsc auf den doppelten Wert der Hochsetzsteller-Eingangsspannung Vin, abzüglich der Hochsetzsteller-Ausgangsspannung Vout umgeladen wird. Dadurch wird bei erneutem Einschalten des Halbleiterschalters S die Schaltspannung sowie der Einschaltstrom und somit die Schaltverluste reduziert. Solche Schaltverluste entstehen, wenn der Halbleiterschalter S stromdurchflossen ist. Nach dem Ohm'schen Gesetz gilt, P = U*I. Die Verlustleistung P, die in dem Halbleiterschalter S in Wärme umgesetzt wird, ist damit davon abhängig wie hoch die Spannung ist, die anliegt.the 2 shows the basic circuit diagram of a step-up converter that can be used in such an active PFC circuit. By operating step-up converter circuits in the so-called boundary conduction mode, low-loss switching of the MOSFET semiconductor switches S that are usually used is achieved. In this case, the step-up converter 100 is operated near the gap limit of the inductor current I L in such a way that both currentless switching on, so-called “zero current switching” (ZCS) and voltage-free switching on, so-called “zero voltage switching” (ZVS) of the switch S is made possible . The inductor L1 of the step-up converter 100 and the output capacitance of the semiconductor switch C Osc form a series resonant circuit. This oscillating circuit is charged within half the period of its natural frequency, so that when the sign of the inductor current I L changes, the output capacitance C Osc is charged to double the value of the step-up converter input voltage V in minus the step-up converter output voltage Vout. As a result, when the semiconductor switch S is switched on again, the switching voltage and the inrush current and thus the switching losses are reduced. Such switching losses occur when the semiconductor switch S is current-carrying. According to Ohm's law, P = U*I. The power loss P, which is converted into heat in the semiconductor switch S, is therefore dependent on how high the voltage that is applied is.

In der 3 sind Spannungs- und Stromverlauf über eine vollständige Schaltperiode des Halbleiterschalter S dargestellt. Der Stromverlauf IL ist Dreieck-förmig. Während der Einschaltphase tOn, steigt der Strom durch die Drosselspule L1 linear an. Während der Ausschaltphase toff, fällt der Strom durch die Drosselspule L1 linear ab. In der Phase tRes, die der halben Periodendauer der Resonanzfrequenz des Schwingkreises bestehend aus Drosselspule L1 und Kapazität des Halbleiterschalters S entspricht, ändert sich sogar die Stromrichtung. Dabei setzen sich die zeitlichen Zusammenhänge wie folgt zusammen: t O n = P i n 2 L V i n 2

Figure DE102020118108A1_0001
t O f f = V i n V o u t V i n t O n
Figure DE102020118108A1_0002
t R e s = π L C O s c
Figure DE102020118108A1_0003
Dabei bedeuten Pin die Eingangsleistung und L die Induktivität der Drosselspule L1. Um ein möglichst verlustfreies Schalten des Halbleiterschalters zu gewährleisten, darf die Periodendauer Ts eines Schaltzyklus nicht kürzer sein als: T s m i n = t O n + t O f f + t R e s .
Figure DE102020118108A1_0004
So ist es dann gewährleistet, dass die Transistorkapazität des Halbleiterschalters S für ein verlustfreies Schalten entladen werden kann.In the 3 voltage and current curves over a complete switching period of the semiconductor switch S are shown. The current profile I L is triangular. During the switch-on phase t On , the current through the inductor L1 increases linearly. During the switch-off phase toff, the current through the inductor L1 drops linearly. In the phase t Res , which corresponds to half the period of the resonant frequency of the resonant circuit consisting of the inductor L1 and the capacitance of the semiconductor switch S, the direction of the current even changes. The chronological relationships are as follows: t O n = P i n 2 L V i n 2
Figure DE102020118108A1_0001
t O f f = V i n V O and t V i n t O n
Figure DE102020118108A1_0002
t R e s = π L C O s c
Figure DE102020118108A1_0003
P in is the input power and L is the inductance of the choke coil L1. In order to ensure that the semiconductor switch switches with as little loss as possible, the period T s of a switching cycle must not be shorter than: T s m i n = t O n + t O f f + t R e s .
Figure DE102020118108A1_0004
It is then ensured in this way that the transistor capacitance of the semiconductor switch S can be discharged for lossless switching.

In besonders verlustoptimierten Anwendungen kommt an Stelle eines konventionellen Aufwärtswandlers gem. 2 eine Halbbrücken-PFC-Schaltung mit mindestens zwei aktiven Halbleiterschaltern S1, S2 zum Einsatz. Diese ist in 4 dargestellt. Dabei wird die Diode D aus 2 durch einen weiteren Halbleiterschalter S2 ersetzt.In particularly loss-optimized applications, instead of a conventional step-up converter acc. 2 a half-bridge PFC circuit with at least two active semiconductor switches S1, S2 is used. This is in 4 shown. The diode D goes out 2 replaced by another semiconductor switch S2.

Die zeitlichen Zusammenhänge, die für die Schaltung gem. 2 gelten, sind in dem US-Patent US 8,766,605 B2 in Bezug auf den Einsatz einer Halbbrücken-PFC-Schaltung erläutert. Dabei wird mit dem Begriff Halbbrücken-PFC-Schaltung ausgedrückt, dass sowohl die positive, wie auch die negative Halbwelle durch denselben Halbleiterschaler-Zweig aufwärtsgewandelt wird. Dies macht allerdings eine Polwenderschaltung erforderlich, die den Stromkreis schließt.The temporal relationships that acc. 2 apply are in the US patent U.S. 8,766,605 B2 explained in relation to the use of a half-bridge PFC circuit. The term half-bridge PFC circuit expresses the fact that both the positive and the negative half-wave are upconverted by the same semiconductor switch branch. However, this requires a polarity reversing circuit that closes the circuit.

In der 5 wird die zeitliche Abfolge der Ansteuersignale der Halbleiterschalter S1 und S2 für eine positive Eingangsspannung Vin dargestellt. Die Ansteuersignale werden dabei über das Setzen von Stromschwellen Ih und Il erzeugt. Der Strom muss dafür messtechnisch erfasst werden und mit vorgegebenen Werten verglichen werden.In the 5 shows the time sequence of the drive signals of the semiconductor switches S1 and S2 for a positive input voltage V in . The control signals are generated by setting current thresholds I h and I l. For this purpose, the current must be measured and compared with specified values.

Die Bedingung für das Abschalten von S1 und das Einschalten von S2 ist in diesem Fall das Überschreiten der Stromschwelle Ih des Drosselstroms IL. Dabei wird die Stromschwelle Ih für den jeweiligen Arbeitspunkt von einem Stromregler vorgegeben. Die Bedingung für das Abschalten von S2 und das Einschalten von S1 ist in diesem Fall das Unterschreiten der Stromschwelle Il des Drosselstroms IL. Die Stromschwelle Il ist statisch vorgegeben und deren Lage sorgt für einen vollständiges Umladen von der Kapazität COsc des Halbleiterschalter S1.In this case, the condition for switching off S1 and switching on S2 is that the current threshold I h of the inductor current I L is exceeded. The current threshold I h for the respective operating point is specified by a current controller. In this case, the condition for switching off S2 and switching on S1 is that the inductor current I L falls below the current threshold I L . The current threshold I l is statically predetermined and its position ensures complete charge reversal from the capacitance C Osc of the semiconductor switch S1.

Dabei bleibt im Gegensatz zur Schaltung in 2, bei der die Diode D den Umladevorgang bestimmt, der Schalter S2 solange eingeschaltet, bis ein vollständiges Umladen der Kapazität COsc auf 0 V erfolgt ist. Danach wird Halbleiterschalter S1 ein- und Halbleiterschalter S2 zeitgleich abgeschaltet, so dass der Strom IL von S2 auf S1 kommutieren kann und die Stromrichtung des Stromes IL wieder wechselt. Es beginnt ein neuer Zyklus mit dem Aufmagnetisieren der Drosselspule.In contrast to the circuit in 2 , in which the diode D determines the recharging process, the switch S2 is switched on until the capacitance C Osc has been completely recharged to 0 V. Then the semiconductor switch S1 is switched on and the semiconductor switch S2 is switched off at the same time, so that the current I L can commutate from S2 to S1 and the direction of the current I L changes again. A new cycle begins with the magnetization of the choke coil.

Einzelheiten zu diesem Ansteuerverfahren sind in den folgenden Dokumenten US 20070109822 A1 und US 8026704 B2 näher beschrieben.Details on this control method are in the following documents US20070109822A1 and US8026704B2 described in more detail.

Ein alternatives Verfahren zur Generierung der Ansteuersignale für die Halbleiterschalter S1 und S2 ist aus der Doktorarbeit „„Current Mode Control structure: Current-Mode Control: Modeling and Digital Application", von Jian Li, April 14, 2009, Blacksburg, Virginia Polytechnic Institute and State University bekannt. Dabei werden zur Generierung der Schaltzeiten tonS1 und tonS2 der Halbleiterschalter Schalter S1 und S2 Komparatoren eingesetzt, die den durch den Strom IL verursachten Spannungsabfall in einem Messwiderstand mit Spannungsschwellwerten vergleichen.An alternative method for generating the control signals for the semiconductor switches S1 and S2 is from the doctoral thesis ""Current Mode Control structure: Current-Mode Control: Modeling and Digital Application", by Jian Li, April 14, 2009, Blacksburg, Virginia Polytechnic Institute and State University known. In this case, to generate the switching times t onS1 and t onS2 of the semiconductor switches, switches S1 and S2 are used, which compare the voltage drop caused by the current I L in a measuring resistor with voltage threshold values.

Aus dem Dokument „LED Application Design Using BCM Power Factor Correction (PFC) Controller for 100W Lightning System‟; AN-9731, 02011 Fairchild Semiconductor Corporation Rev. 1.0.0, 3/24/11 ist ein Schaltungsdesign für eine PFC-Schaltung, die im sogenannten „Boundary Conduction Mode“ (BCM) betrieben wird, bekannt.From the document "LED Application Design Using BCM Power Factor Correction (PFC) Controller for 100W Lightning System"; AN-9731, 02011 Fairchild Semiconductor Corporation Rev. 1.0.0, 3/24/11 a circuit design for a PFC circuit that is operated in the so-called “boundary conduction mode” (BCM) is known.

Bei Anwendung einer Hochsetzstellerschaltung zur Power Factor Correction (PFC), wird bei größer benötigten Leistungen eine zweistufige Variante eingesetzt. Solche Aufwärtswandler sind für höhere Leistungsklassen ab ca. 1 kW Leistung interessant. Diese so genannte „Interleaved“-PFC-Schaltung lässt sich auch als Bridgeless-Topologie ausführen, wie in der Patentschrift US 8 363 434 B2 dargestellt ist. Dabei gibt es zwei Hochsetzstellerstufen, die für die Aufladung des Siebkondensators sorgen. Ein Problem sind dabei die „Ripple-Ströme“, die durch die Schaltvorgänge in beiden Hochsetzstellerstufen entstehen. Sie würden sich verstärken, wenn man die beiden Hochsetzstellerstufen im Gleichtaktbetrieb arbeiten ließe.When using a step-up converter circuit for power factor correction (PFC), a two-stage variant is used if greater power is required. Such step-up converters are interesting for higher power classes from about 1 kW power. This so-called "interleaved" PFC circuit can also be implemented as a bridgeless topology, as in the patent specification U.S. 8,363,434 B2 is shown. There are two step-up converter stages that charge the filter capacitor. One problem here is the "ripple currents" that arise as a result of the switching processes in both step-up converter stages. They would increase if the two step-up converter stages were allowed to work in common mode.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, einen Aufwärtswandler für Stromversorgungen bereitzustellen, der es ermöglicht die beiden Hochsetzstellerstufen so zu betreiben, dass die entstehenden Ripple-Ströme, die zusammen aus dem Netz aufgenommen werden, möglichst gering ausfallen. Zusätzlich sollen beide Hochsetzstellerstufen möglichst verlustarm schalten. Ebenfalls soll eine möglichst günstige Strommessung mit Hilfe nur eines Messwiderstandes im Strompfad pro Hochsetzstellerstufe mit geringer Zusatzbeschaltung für die Erfassung des Stroms ausreichen.It is therefore the object of the invention to provide a step-up converter for power supplies which enables the two step-up converter stages to be operated in such a way that the resulting ripple currents, which are taken together from the network, are as small as possible. In addition, both step-up converter stages should switch with as little loss as possible. Likewise, a current measurement that is as favorable as possible using only one measuring resistor in the current path per step-up converter stage with little additional circuitry should be sufficient for detecting the current.

Diese Aufgabe wird durch einen Aufwärtswandler gemäß Anspruch 1, eine Stromversorgung eines elektrischen Verbrauchers gemäß Anspruch 14 und ein Verfahren zur Aufwärtswandlung der Eingangsspannung in einer Stromversorgung gemäß Anspruch 16 gelöst.This object is achieved by a boost converter according to claim 1, a power supply for an electrical load according to claim 14 and a method for boosting the input voltage in a power supply according to claim 16.

Die abhängigen Ansprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung entsprechend der nachfolgenden Beschreibung.The dependent claims contain advantageous developments and improvements of the invention according to the following description.

Um dieses Problem zu lösen wird erfindungsgemäß vorgeschlagen einerseits den Schaltzyklus der wenigstens einen zweiten Stufe zur ersten Stufe um eine gewählte Phasenverschiebung gegeneinander versetzt anzusteuern. Gleichzeitig wird die Aufmagnetisierungszeit in der ersten Stufe während einer Halbwelle der Eingangsspannung konstant gehalten, und die Abmagnetisierungszeit angepasst, um den gewünschten sinusförmigen Stromverlauf in der Induktivität zu erreichen. In der wenigstens einen zweiten Stufe wird dagegen die Periodendauer konstant gehalten und die Aufmagnetisierungszeit angepasst. So ist es möglich ein verlustarmes Schalten in den wenigstens zwei Hochsetzstellerstufen zu erreichen und eine Kompensation der Rippleströme aus den wenigstens zwei Hochsetzstellerstufen, die zusammen aus dem Netz aufgenommen werden.In order to solve this problem, it is proposed according to the invention to control the switching cycle of the at least one second stage offset from the first stage by a selected phase shift. At the same time, the magnetization time in the first stage is kept constant during a half-wave of the input voltage, and the demagnetization time is adjusted in order to achieve the desired sinusoidal current curve in the inductance. In contrast, in the at least one second stage, the period duration is kept constant and the magnetization time is adjusted. It is thus possible to achieve low-loss switching in the at least two step-up converter stages and to compensate for the ripple currents from the at least two step-up converter stages, which are taken together from the network.

In einer generellen Ausführungsform betrifft die Erfindung einen Aufwärtswandler für eine Stromversorgung eines elektrischen Verbrauchers, der mit wenigstens zwei Hochsetzstellerstufen ausgestattet ist. Dabei weist der Aufwärtswandler eine brückenlose Gleichrichterschaltung, und einen Siebkondensator auf. Pro Hochsetzstellerstufe ist eine Induktivität vorgesehen, wobei die Induktivität jeweils an einen Pol der Wechselspannungsquelle geschaltet ist und an einen Knotenpunkt zwischen zwei Halbleiterschaltern. Dabei ist der erste Halbleiterschalter pro Hochsetzstellerstufe in Reihe mit einem Messwiderstand geschaltet. Der Aufwärtswandler ist mit einer Signalerzeugungseinheit ausgestattet, die Ansteuersignale für die beiden Halbleiterschalter pro Hochsetzstellerstufe erzeugt, wobei zur Aufwärtswandlung der Eingangsspannung bei positiver Eingangsspannung pro Hochsetzstellerstufe der erste Halbleiterschalter geschlossen wird und der zweite Halbleiterschalter geöffnet wird, um einen Strom durch die Induktivität zu treiben zur Aufmagnetisierung der Induktivität. Zur Abmagnetisierung der Induktivität in den Hochsetzstellerstufen wird jeweils der erste Halbleiterschalter geöffnet und der zweite Halbleiterschalter geschlossen und dabei der Siebkondensator entsprechend geladen. In einer bevorzugten Ausprägung ist pro Hochsetzstellerstufe der erste Halbleiterschalter in Reihe mit einem Messwiderstand geschaltet zur Messung des Stroms, der durch den ersten Halbleiterschalter fließt. Die Signalerzeugungseinheit weist ein Mittel zur Erfassung des Stroms durch den jeweiligen Messwiderstand der jeweiligen Hochsetzstellerstufe auf. Die Erfassung des Stroms durch den Messwiderstand geschieht in einer vorteilhaften Ausgestaltung in vorteilhafter Weise zum Ende der Phase zur Abmagnetisierung der Induktivität. Die Erfindung bietet den Vorteil, dass ein möglichst verlustloses Schalten der Halbleiterschalter möglich wird. Besonders störend für ein verlustloses Schalten ist nämlich die Kapazität des Halbleiterschalters in den Hochsetzstellerstufen. Sie bewirkt eine Spannung während des Schaltvorgangs, die zusammen mit dem verbleibenden Stromfluss in dem Halbleiterschalter zu einer Verlustleistung führt. Um verlustlos zu schalten, ist die möglichst vollständige Entladung der Kapazität des Halbleiterschalter erforderlich. Dafür ist eine Strommessung erforderlich. Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltung liegt darin, dass ein einfacher Messwiderstand für die Strommessung ausreicht. Eine besonders vorteilhafte Maßnahme besteht darin, dass die Signalerzeugungseinheit eine Ansteuereinheit aufweist, die dafür ausgelegt ist die Hochsetzstellerstufen mit einer gewählten Phasenverschiebung gegeneinander versetzt anzusteuern. Bei zwei Hochsetzstellerstufen ist z.B. eine Phasenverschiebung von 180° optimal. Damit wird erreicht, dass die Ripple-Ströme (auch Brummstrom genannt), die von beiden Stufen in den Regelzyklen, aus dem Netz aufgenommen werden, sich möglichst gut kompensieren, so dass nur noch eine geringe Restwelligkeit in der resultierenden Stromaufnahme übrig bleibt. Gleichzeitig ist die Ansteuereinheit dafür ausgelegt die Periodendauer der Ansteuersignale in der einen Hochsetzstellerstufe zu regeln und in der wenigstens einen anderen Hochsetzstellerstufe konstant zu halten, und die Aufmagnetisierungszeit in der wenigstens einen anderen Hochsetzstellerstufe zu regeln und in der ersten Hochsetzstellerstufe konstant zu halten. Dies hat den Vorteil, dass die gewünschte Phasenverschiebung zwischen den Ansteuersignalen für die Minimierung der Ripple-Ströme erhalten bleibt und das verlustlose Schalten in den wenigstens zwei Hochsetzstellerstufen ermöglicht wird.In a general embodiment, the invention relates to a step-up converter for a power supply of an electrical consumer, which is equipped with at least two step-up converter stages. In this case, the step-up converter has a bridgeless rectifier circuit and a filter capacitor. An inductor is provided for each step-up converter stage, with the inductor being connected to one pole of the AC voltage source and to a node between two semiconductor switches. In this case, the first semiconductor switch per step-up converter stage is connected in series with a measuring resistor. The step-up converter is equipped with a signal generation unit that generates control signals for the two semiconductor switches per step-up converter stage, with the first semiconductor switch being closed and the second semiconductor switch being opened for step-up conversion of the input voltage when the input voltage is positive for each step-up converter stage in order to drive a current through the inductance for magnetization the inductance. To demagnetize the inductance in the step-up converter stages, the first semiconductor switch is opened and the second semiconductor switch is closed, and the filter capacitor is charged accordingly. In a preferred embodiment, the first semiconductor switch per step-up converter stage is connected in series with a measuring resistor to measure the current flowing through the first semiconductor switch. The signal generation unit has a means for detecting the current through the respective measuring resistor of the respective step-up converter stage. In an advantageous embodiment, the current through the measuring resistor is detected advantageously at the end of the phase for demagnetizing the inductance. The invention offers the advantage that it is possible to switch the semiconductor switches with as little loss as possible. The capacitance of the semiconductor switch in the step-up converter stages is particularly disruptive for lossless switching. It causes a voltage during the switching process which, together with the remaining current flow in the semiconductor switch, leads to power loss. In order to switch without losses, the capacitance of the semiconductor switch must be discharged as completely as possible. A current measurement is required for this. A particular advantage of the circuit according to the invention is that a simple measuring resistor is sufficient for measuring the current. A particularly advantageous measure is that the signal generation unit has a control unit that is designed for this is to control the step-up converter stages with a selected phase shift offset from one another. With two step-up converter stages, for example, a phase shift of 180° is optimal. This ensures that the ripple currents (also known as ripple current), which are drawn from the mains by both stages in the control cycles, compensate as well as possible, so that only a small residual ripple remains in the resulting current consumption. At the same time, the drive unit is designed to regulate the period of the drive signals in one step-up converter stage and to keep it constant in the at least one other step-up converter stage, and to regulate the magnetization time in the at least one other step-up converter stage and to keep it constant in the first step-up converter stage. This has the advantage that the desired phase shift between the drive signals for minimizing the ripple currents is retained and lossless switching in the at least two step-up converter stages is made possible.

Eine erweiterte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass zur Aufwärtswandlung der Eingangswechselspannung bei negativer Eingangsspannung pro Hochsetzstellerstufe der erste Halbleiterschalter geöffnet wird und der zweite Halbleiterschalter geschlossen wird um einen Strom durch die Induktivität zu treiben zur Aufmagnetisierung der Induktivität, und zur Abmagnetisierung der Induktivität der erste Halbleiterschalter geschlossen wird und der zweite Halbleiterschalter geöffnet wird. In der Abmagnetisierungsphase wird der Siebkondensator entsprechend geladen. Die Erfassung des Stroms durch den Messwiderstand geschieht für diese Ausgestaltung in vorteilhafter Weise zum Ende der Phase zur Abmagnetisierung der Induktivität. Diese Variante der Erfindung ermöglicht verlustloses Schalten der Halbleiterschalter durch Anpassen der Ansteuersignale der Halbleiterschalter auch bei Anliegen der negativen Halbwelle der Eingangswechselspannung. So ermöglicht die Erfindung hohe Leistungswerte bei Verzicht auf eine Vollbrückengleichrichtung, die zu einem pulsierenden Netzstrom mit einem hohen Oberschwingungsgehalt führt.An extended embodiment of the invention consists in the step-up conversion of the AC input voltage when the input voltage is negative for each step-up converter stage, the first semiconductor switch is opened and the second semiconductor switch is closed in order to drive a current through the inductance to magnetize the inductance and to demagnetize the inductance of the first semiconductor switch is closed and the second semiconductor switch is opened. In the demagnetization phase, the filter capacitor is charged accordingly. For this configuration, the current through the measuring resistor is advantageously detected at the end of the phase for demagnetizing the inductance. This variant of the invention enables lossless switching of the semiconductor switches by adapting the drive signals of the semiconductor switches even when the negative half-cycle of the AC input voltage is present. In this way, the invention enables high power values without full-bridge rectification, which leads to a pulsating mains current with a high harmonic content.

Für das möglichst verlustlose Schalten ist es weiterhin vorteilhaft, wenn die Ansteuereinheit eine Berechnungseinheit aufweist, die die Regelzykluszeit für die Phasen für Aufmagnetisierung und Abmagnetisierung pro Regelzyklus in Abhängigkeit von der Eingangsspannung und Ausgangsspannung vorausberechnet. Ein Regelzyklus besteht dabei aus den Phasen für Aufmagnetisierung und Abmagnetisierung. Dabei weist die Signalerzeugungseinheit weiterhin eine Regelungsstufe auf, die basierend auf der Differenz zwischen dem gemessenen Stromwert durch den Messwiderstand und einem Strom-Referenzwert einen Korrekturwert für die Regelzykluszeit berechnet. So können verschiedene Faktoren, die für eine genauere Berechnung der Regelzykluszeit erforderlich wären unberücksichtigt gelassen werden. Manche Faktoren, wie Bauteilstreuungen, sind unvermeidlich und könnten nur durch großen Aufwand erfasst werden. Außerdem könnten einige Faktoren alterungsbedingt sein, was noch mehr Aufwand für deren Berücksichtigung bedeutet.For switching with as little loss as possible, it is also advantageous if the control unit has a calculation unit that precalculates the control cycle time for the phases for magnetization and demagnetization per control cycle as a function of the input voltage and output voltage. A control cycle consists of the phases for magnetization and demagnetization. The signal generation unit also has a control stage that calculates a correction value for the control cycle time based on the difference between the measured current value through the measuring resistor and a current reference value. In this way, various factors that would be required for a more accurate calculation of the control cycle time can be ignored. Some factors, such as component scatter, are unavoidable and could only be recorded with great effort. Also, some factors could be age-related, which requires even more effort to account for.

Es ist besonders vorteilhaft für das verlustlose Schalten, wenn der Korrekturwert in einer ersten Zeitgebereinheit der Signalerzeugungseinheit für den nachfolgenden Regelzyklus zur Anwendung kommt, so dass die Zeitgebereinheit die Regelzykluszeit entsprechend verkürzt oder verlängert. Mit der ersten Zeitgebereinheit wird die Dauer des Regelzyklus bestimmt.It is particularly advantageous for lossless switching if the correction value is used in a first timer unit of the signal generation unit for the subsequent control cycle, so that the timer unit correspondingly shortens or lengthens the control cycle time. The duration of the control cycle is determined with the first timer unit.

Es ist weiterhin vorteilhaft, dass die Signalerzeugungseinheit eine weitere Regelungsstufe aufweist, die aus der Differenz zwischen vorgegebener Ausgangsspannung und gemessener Ausgangsspannung eine Aufmagnetisierungszeit berechnet, die in der wenigstens einen ersten Hochsetzstellerstufe zur Anwendung kommt. Dies entspricht einem Spannungsregler, der eine Regelgröße ausgibt, um die Ausgangsspannung konstant zu halten.It is also advantageous that the signal generation unit has a further control stage, which calculates a magnetization time from the difference between the specified output voltage and the measured output voltage, which is used in the at least one first step-up converter stage. This corresponds to a voltage regulator that outputs a controlled variable to keep the output voltage constant.

Für einen Aufwärtswandler mit zwei Hochsetzstellerstufen besteht eine vorteilhafte Maßnahme darin, dass die Berechnungseinheit weiterhin so ausgelegt ist basierend auf der Differenz zwischen dem gemessenen Stromwert durch den Messwiderstand in der ersten Hochsetzstellerstufe und dem gemessenen Stromwert durch den Messwiderstand in der zweiten Hochsetzstellerstufe einen Korrekturwert für die Aufmagnetisierungszeit zu berechnen, der in der zweiten Hochsetzstellerstufe zur Anwendung kommt. Mit dem ersten Zeitgeber wird die Regelzykluszeit für die erste und zweite Hochsetzstellerstufe eingestellt. Um die 180° Phasenverschiebung zwischen beiden Hochsetzstellerstufen zu erreichen, wird bei Erreichen des halben Wertes des eingestellten Zeitgebers das Ansteuersignal für die zweite Stufe zurückgesetzt und das Ansteuersignal für die erste Stufe erst zum Ende des programmierten Zeitgeber-Wertes. Würde man es dabei belassen, wäre die Phasenverschiebung zwar vorhanden, aber so wäre nicht gewährleistet, dass der Drosselstrom in der zweiten Hochsetzstellerstufe den gleichen unteren Schwellenwert hält wie der Strom in der ersten Hochsetzstellerstufe. Dann wäre für diese Hochsetzstellerstufe kein verlustfreies Schalten gleicher Güte möglich. Da das Regelverfahren der ersten Hochsetzstellerstufe Einfluss nimmt auf die Periodendauer des Schalzyklus (d.h. auf die Abmagnetisierungszeit) und darüber die 180° Phasenverschiebung gesteuert wird, ist es deshalb vorteilhaft, das Regelverfahren für die zweite Hochsetzstellerstufe so abzuwandeln, dass die Aufmagnetisierungszeit geregelt wird und die Regelzykluszeit konstant gehalten wird. So kann der gleiche untere Schwellwert für den Strom gehalten werden, wie in der ersten Hochsetzstellerstufe und gleichzeitig die gewünschte Phasendifferenz eingehalten werden.For a step-up converter with two step-up converter stages, an advantageous measure is that the calculation unit is still designed based on the difference between the measured current value through the measuring resistor in the first step-up converter stage and the measured current value through the measuring resistor in the second step-up converter stage, a correction value for the magnetization time to be calculated, which is used in the second step-up converter stage. The control cycle time for the first and second step-up converter stage is set with the first timer. In order to achieve the 180° phase shift between the two step-up converter stages, the drive signal for the second stage is reset when half the value of the set timer is reached and the drive signal for the first stage only at the end of the programmed timer value. If you left it at that, the phase shift would exist, but it would not be guaranteed that the inductor current in the second step-up converter stage would have the same lower threshold value as the current in the first step-up converter stage. Loss-free switching of the same quality would then not be possible for this step-up converter stage. Since the control method of the first step-up converter stage influences the period of the switching cycle (ie the demagnetization time) and the 180° phase shift is controlled via this, it is therefore advantageous to use the control method for the second high Modify the converter stage in such a way that the magnetization time is controlled and the control cycle time is kept constant. In this way, the same lower threshold value for the current can be maintained as in the first step-up converter stage, and at the same time the desired phase difference can be maintained.

Zur Erzeugung der Ansteuersignale für die Halbleiterschalter ist es vorteilhaft, wenn die Signalerzeugungseinheit eine zweite Zeitgebereinheit aufweist, an die die berechnete Aufmagnetisierungszeit weitergeleitet wird, in der die berechnete Aufmagnetisierungszeit für eine Anzahl nachfolgender Regelzyklen für die erste Hochsetzstellerstufe zur Anwendung kommt. Die Ansteuersignale werden in Form von PWM-Signalen erzeugt. Durch die getrennten Zeitgebereinheiten kann das Tastverhältnis der PWM-Signale variabel eingestellt werden.To generate the control signals for the semiconductor switches, it is advantageous if the signal generation unit has a second timer unit to which the calculated magnetization time is forwarded, in which the calculated magnetization time is used for a number of subsequent control cycles for the first step-up converter stage. The control signals are generated in the form of PWM signals. The duty cycle of the PWM signals can be set variably due to the separate timer units.

Diesbezüglich ist es weiterhin vorteilhaft, wenn die Signalerzeugungseinheit eine dritte Zeitgebereinheit aufweist, an die die korrigierte Aufmagnetisierungszeit weitergeleitet wird, in der die korrigierte Aufmagnetisierungszeit für den nachfolgenden Regelzyklus für die zweite Hochsetzstellerstufe zur Anwendung kommt.In this regard, it is also advantageous if the signal generation unit has a third timer unit to which the corrected magnetization time is forwarded, in which the corrected magnetization time for the subsequent control cycle for the second step-up converter stage is applied.

Dabei besteht eine vorteilhafte Variante darin, dass die Anzahl der Regelzyklen, für die die berechnete Aufmagnetisierungszeit zur Anwendung kommt, für eine Halbwelle der Eingangswechselspannung gültig ist. Die Aufmagnetisierungszeit wird dabei in vorteilhafter Weise in den Regelzyklen über eine Halbwelle der Eingangswechselspannung konstant gehalten, während die Abmagnetisierungszeit angepasst wird. Dies sorgt dafür, dass der Strom durch die Induktivität ebenfalls sinusförmig wird, wenn die Eingangswechselspannung sinusförmig ist.In this case, an advantageous variant consists in the number of control cycles for which the calculated magnetization time is used being valid for one half-wave of the input AC voltage. The magnetization time is advantageously kept constant in the control cycles over a half-cycle of the AC input voltage, while the demagnetization time is adjusted. This causes the current through the inductor to also become sinusoidal when the AC input voltage is sinusoidal.

Dafür ist es weiterhin vorteilhaft, dass die Signalerzeugungseinheit mit einer Eingangswechselspannungs-Erfassungseinheit ausgestattet ist, die zur Ermittlung der Phasenlage der Eingangswechselspannung eingerichtet ist, und die Information über die Phasenlage, insbesondere ob die positive Halbwelle oder negative Halbwelle der Eingangswechselspannung anliegt, an eine Konfigurationseinheit der Signalerzeugungseinheit liefert. Die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Aufwärtswandlers ist für die positive und negative Halbwelle der Eingangswechselspannung unterschiedlich. Deshalb ist die Erfassung der Polarität der Eingangswechselspannung vorteilhaft.It is also advantageous for the signal generation unit to be equipped with an input AC voltage detection unit, which is set up to determine the phase position of the input AC voltage, and the information about the phase position, in particular whether the positive half-cycle or negative half-cycle of the input AC voltage is present, to a configuration unit of the Signal generation unit supplies. The mode of operation of the step-up converter according to the invention is different for the positive and negative half-wave of the AC input voltage. Therefore, detecting the polarity of the AC input voltage is advantageous.

Diesbezüglich besteht eine weitere vorteilhafte Variante darin, dass die Konfigurationseinheit eingerichtet ist eine Anzahl der Komponenten der Signalerzeugungseinheit zu konfigurieren für den Betrieb bei positiver Eingangsspannung oder bei negativer Eingangsspannung, je nachdem was die Information über die Polarität der Eingangswechselspannung angibt. Es ist üblich die verschiedenen Komponenten über Registereinträge zu konfigurieren, was von der Konfigurationseinheit vorgenommen werden kann.In this regard, a further advantageous variant is that the configuration unit is set up to configure a number of the components of the signal generation unit for operation with a positive input voltage or with a negative input voltage, depending on what the information about the polarity of the AC input voltage indicates. It is common to configure the various components via register entries, which can be done by the configuration unit.

Zur Erfassung des Stroms bei der Entladung der Kapazität des Halbleiterschalters ist es vorteilhaft den Messwiderstand in der wenigstens ersten und zweiten Hochsetzstellerstufe jeweils zwischen den ersten Halbleiterschalter und der Rückleitung zur Eingangswechselspannungsquelle, an die die Induktivität nicht angeschlossen ist, zu schalten.To detect the current when the capacitance of the semiconductor switch is discharged, it is advantageous to connect the measuring resistor in the at least first and second step-up converter stage between the first semiconductor switch and the return line to the input AC voltage source to which the inductance is not connected.

Typischerweise wird in Aufwärtswandlern als Induktivität eine Drosselspule eingesetzt. Diese kann durch Anzahl der Windungen und Strecken oder Stauchen und geometrische Gestaltung genau angepasst werden.A choke coil is typically used as an inductance in step-up converters. This can be precisely adjusted by the number of turns and stretches or compression and geometric design.

In einer weiteren Ausprägung besteht die Erfindung in einer Stromversorgung eines elektrischen Verbrauchers, die einen erfindungsgemäßen Aufwärtswandler aufweist. Der erfindungsgemäße Aufwärtswandler kann dabei besonders vorteilhaft als Aufwärtswandler zur Leistungsfaktor-Vorregelung in der Stromversorgung dienen.In a further embodiment, the invention consists in a power supply for an electrical consumer, which has a step-up converter according to the invention. The step-up converter according to the invention can be used particularly advantageously as a step-up converter for power factor pre-regulation in the power supply.

Solche Leistungsfaktor-Vorregelungsstufen lassen sich besonders vorteilhaft in Schaltnetzgeräten einsetzen.Such power factor pre-regulation stages can be used particularly advantageously in switched-mode power supplies.

In einer weiteren Ausprägung betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Aufwärtswandlung der Eingangsspannung in einer Stromversorgung eines elektrischen Verbrauchers, die einen mehrstufigen Aufwärtswandler mit wenigstens zwei Hochsetzstellerstufen aufweist. Es ist eine Gleichrichterschaltung und ein Siebkondensator vorgesehen. Dabei wird pro Hochsetzstellerstufe eine Induktivität vorgesehen, wobei die Induktivität jeweils an einen Pol der Wechselspannungsquelle geschaltet ist und an einen Knotenpunkt zwischen zwei Halbleiterschaltern. Weiterhin wird dabei der erste Halbleiterschalter pro Hochsetzstellerstufe in Reihe mit einem Messwiderstand geschaltet. Von einer Signalerzeugungseinheit werden Ansteuersignale für die beiden Halbleiterschalter pro Hochsetzstellerstufe erzeugt, wobei zur Aufwärtswandlung der Eingangsspannung bei positiver Eingangsspannung pro Hochsetzstellerstufe der erste Halbleiterschalter geschlossen wird und der zweite Halbleiterschalter geöffnet wird, um einen Strom durch die Induktivität zu treiben zur Aufmagnetisierung der Induktivität. Zur Abmagnetisierung der Induktivität wird der erste Halbleiterschalter geöffnet und der zweite Halbleiterschalter geschlossen und der Siebkondensator entsprechend geladen. Der Strom durch den jeweiligen Messwiderstand wird von der Signalerzeugungseinheit erfasst. Das Verfahren kennzeichnet sich dadurch aus, dass die Signalerzeugungseinheit eine Ansteuereinheit aufweist, von der die Hochsetzstellerstufen mit einer gewählten Phasenverschiebung gegeneinander versetzt angesteuert werden, wobei die Periodendauer der Ansteuersignale in der einen Hochsetzstellerstufe von der Ansteuereinheit geregelt wird und in der wenigstens einen anderen Hochsetzstellerstufe konstant gehalten wird, und die Aufmagnetisierungszeit in der wenigstens einen anderen Hochsetzstellerstufe geregelt wird und in der ersten Hochsetzstellerstufe konstant gehalten wird.In a further embodiment, the invention relates to a method for step-up conversion of the input voltage in a power supply of an electrical consumer, which has a multi-stage step-up converter with at least two step-up converter stages. A rectifier circuit and a filter capacitor are provided. In this case, an inductor is provided for each step-up converter stage, with the inductor being connected to one pole of the AC voltage source and to a node between two semiconductor switches. Furthermore, the first semiconductor switch per step-up converter stage is connected in series with a measuring resistor. Control signals for the two semiconductor switches per step-up converter stage are generated by a signal generation unit, with the first semiconductor switch being closed for step-up conversion of the input voltage when the input voltage is positive for each step-up converter stage, and the second semiconductor switch being opened in order to drive a current through the inductance to magnetize the inductance. To demagnetize the inductance, the first semiconductor switch is opened and the second semiconductor switch is closed and the filter capacitor is charged accordingly. The current through the respective measuring resistor is recorded by the signal generation unit. The method is characterized in that the signal generation unit has a drive unit, by which the step-up converter stages are driven offset with respect to one another with a selected phase shift, the period of the drive signals in one step-up converter stage being controlled by the drive unit and kept constant in the at least one other step-up converter stage is, and the magnetization time is regulated in the at least one other step-up converter stage and is kept constant in the first step-up converter stage.

Diesbezüglich besteht ein besonderer Vorteil darin, dass bei diesem Verfahren der Strom durch den Messwiderstand zu vorgegebenen Zeiten gemessen wird, die durch die vorausberechnete Regelzykluszeit und um den Korrekturwert korrigiert, vorgegeben werden. Für die Erfindung reicht es aus den Strom nur zu diesen Zeitpunkten zu messen, was mit kostengünstigen AD-Wandlern möglich ist.In this regard, there is a particular advantage that, with this method, the current through the measuring resistor is measured at predetermined times that are predetermined by the precalculated control cycle time and corrected by the correction value. For the invention it is sufficient to measure the current only at these points in time, which is possible with inexpensive AD converters.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Figuren näher erläutert. Es zeigen:

  • 1 ein Prinzipschaltbild eines Schaltnetzgerätes;
  • 2 ein Prinzipschaltbild einer Halbbrücken-PFC-Schaltung mit einem Halbleiterschalter;
  • 3 den Stromverlauf durch die Induktivität der Halbbrücken-PFC-Schaltung gem. 2 und den durch die Drain-Source-Kapazität des Halbleiterschalters S bedingten Spannungsverlauf am Halbleiterschalter S bei Ansteuerung des Halbleiterschalter S bei Erreichen von Stromschwellen im Stromverlauf;
  • 4 ein Prinzipschaltbild einer Halbbrücken-PFC-Schaltung mit zwei Halbleiterschaltern;
  • 5 den Stromverlauf durch die Induktivität der Halbbrücken-PFC-Schaltung gem. 4 und den durch die Drain-Source-Kapazität des Halbleiterschalters S1 bedingten Spannungsverlauf am Halbleiterschalter S1 bei Ansteuerung der Halbleiterschalter S1 und S2 bei Erreichen von Stromschwellen im Stromverlauf;
  • 6 ein Prinzipschaltbild einer zweistufigen Halbbrücken-PFC-Schaltung mit jeweils zwei Halbleiterschaltern pro Hochsetzstellerstufe und Polwende-Schaltung;
  • 7 ein Prinzipschaltbild einer zweistufigen Halbbrücken-PFC-Schaltung mit jeweils zwei Halbleiterschaltern, wobei die Polwende-Schaltung mit Dioden realisiert wird;
  • 8 ein Blockschaltbild einer Signalerzeugungseinheit der Halbbrücken-PFC-Schaltung;
  • 9 die Art der Ansteuersignalerzeugung der Halbbrücken-PFC-Schaltung gem. 7 bei positiver Halbwelle der Eingangsspannung; und
  • 10 die Art der Ansteuersignalerzeugung der Halbbrücken-PFC-Schaltung gem. 7 bei negativer Halbwelle der Eingangsspannung.
Several exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the figures shown in the drawings. Show it:
  • 1 a schematic diagram of a switching power supply;
  • 2 a schematic diagram of a half-bridge PFC circuit with a semiconductor switch;
  • 3 the current flow through the inductance of the half-bridge PFC circuit acc. 2 and the voltage curve at the semiconductor switch S caused by the drain-source capacitance of the semiconductor switch S when the semiconductor switch S is driven when current thresholds are reached in the current curve;
  • 4 a schematic diagram of a half-bridge PFC circuit with two semiconductor switches;
  • 5 the current flow through the inductance of the half-bridge PFC circuit acc. 4 and the voltage curve at the semiconductor switch S1 caused by the drain-source capacitance of the semiconductor switch S1 when the semiconductor switches S1 and S2 are driven when current thresholds are reached in the current curve;
  • 6 a basic circuit diagram of a two-stage half-bridge PFC circuit with two semiconductor switches per step-up converter stage and polarity reversal circuit;
  • 7 a basic circuit diagram of a two-stage half-bridge PFC circuit, each with two semiconductor switches, the polarity reversing circuit being implemented with diodes;
  • 8th a block diagram of a signal generation unit of the half-bridge PFC circuit;
  • 9 the type of drive signal generation of the half-bridge PFC circuit acc. 7 with a positive half-cycle of the input voltage; and
  • 10 the type of drive signal generation of the half-bridge PFC circuit acc. 7 in the case of a negative half-cycle of the input voltage.

Die vorliegende Beschreibung veranschaulicht die Prinzipien der erfindungsgemäßen Offenbarung. Es versteht sich somit, dass Fachleute in der Lage sein werden, verschiedene Ausführungen zu konzipieren, die zwar hier nicht explizit beschrieben werden, die aber Prinzipien der erfindungsgemäßen Offenbarung verkörpern und in ihrem Umfang ebenfalls geschützt sein sollen.This description illustrates the principles of the inventive disclosure. It is thus understood that those skilled in the art will be able to conceive various implementations which, while not explicitly described herein, embody principles of the inventive disclosure and are intended to be protected within their scope.

Wie beschrieben, gibt es den Ansatz eine PFC-Schaltung im Boundary Conduction Mode (BCM) zu betreiben. Dabei wird die Zeit ton zum wiederholten Aufmagnetisieren der Induktivität L, über eine Sinushalbwelle der Netzwechselspannung konstant gehalten. Diese Zeit ist proportional zur momentanen Leistungsabgabe des Schaltnetzgerätes und wird von einem Spannungsregler vorgegeben, der die Ausgangsspannung der Schaltung, also z.B. 400 V, konstant halten soll.As described, there is the approach of operating a PFC circuit in Boundary Conduction Mode (BCM). The time t on for the repeated magnetization of the inductance L is kept constant over a sine half-wave of the mains AC voltage. This time is proportional to the instantaneous power output of the switched-mode power supply and is specified by a voltage regulator, which is intended to keep the output voltage of the circuit, ie 400 V, for example, constant.

Zusätzlich muss noch die Zeit zum Abmagnetisieren der Induktivität L eingestellt werden. Dies geschieht nach der Lösung gemäß einer parallelen Patentanmeldung der Anmelderin P-2020-0136-DE dadurch, dass der Zeitpunkt an dem der zweite Stromschalter abschalten soll, vorausberechnet wird und die Zeit zum Abmagnetisieren entsprechend eingestellt wird.In addition, the time for demagnetizing the inductance L must be set. According to the solution according to a parallel patent application by the applicant P-2020-0136-DE, this occurs in that the point in time at which the second current switch is to switch off is precalculated and the time for demagnetization is set accordingly.

Dabei berechnet sich die Abmagnetisierungszeit (Off-Zeit), in der der erste Stromschalter S1 geöffnet und der zweite S2 geschlossen ist, wie folgt aus der Zeit ton zum Aufmagnetisieren: t o f f = V i n V o u t V i n t o n .

Figure DE102020118108A1_0005
Da die Berechnung durch Bauteil-Toleranzen und andere Faktoren, wie Verzögerungen bei der Generierung der Ansteuersignale in Treiberstufen, etc. abweichen kann, wird geprüft werden, ob mit der berechneten Off-Zeit auch der gewünschte Stromwert in der Induktivität L erreicht wurde. Dazu wird die erforderliche Information des Stroms aus dem Pfad des ersten Halbleiterschalter S1 gewonnen. Dazu ist in dem Strompfad ein Strommesswiderstand (Shunt) geschaltet, mit dem eine Messspannung erzeugt wird, die proportional zum Storm durch den Halbleiterschalter S1 ist. Dieser Messwert wird als Istwert einem Regler zugeführt, der einen Korrekturwert ausgibt, der die Berechnung der Abmagnetisierungszeit beeinflusst.The demagnetization time (off time) during which the first current switch S1 is open and the second S2 is closed is calculated as follows from the time t on for magnetization: t O f f = V i n V O and t V i n t O n .
Figure DE102020118108A1_0005
Since the calculation can deviate due to component tolerances and other factors, such as delays in the generation of the control signals in the driver stages, etc., it is checked whether the desired current value in the inductance L was also reached with the calculated off time. To do this, the necessary information about the current is obtained from the path of the first semiconductor switch S1. For this purpose, a current measuring resistor (shunt) is connected in the current path, with which a measuring voltage is generated which is proportional to the current through the semiconductor switch S1. This measured value is fed to a controller as an actual value, which performs a correction value that influences the calculation of the demagnetization time.

Bei einer mehrstufigen aktiven PFC-Schaltung muss diese Lösung angepasst werden. Denn es gibt, wie eingangs erläutert, die Problematik, dass sich die Ripple-Ströme verstärken würden, wenn die Hochsetzstellerstufen mit den gleichen Ansteuersignalen ohne Phasenunterschied geschaltet werden.This solution must be adapted for a multi-stage active PFC circuit. Because, as explained at the outset, there is the problem that the ripple currents would increase if the step-up converter stages are switched with the same drive signals without a phase difference.

Die 6 zeigt ein Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen zweistufigen Halbbrücken-PFC-Schaltung mit Polwendeschaltung. Die sinusförmige Netzspannung mit 230 V Effektivwert und 50 Hz Netzfrequenz steht am Eingang ACin an. In dieser Schaltung sind zwei Hochsetzstellerstufen HSa und HSb enthalten. Pro Hochsetzstellerstufe ist eine Drosselspule und zwei Halbleiterschalter und ein Messwiderstand vorgesehen. Die erste Hochsetzstellerstufe HSa besteht aus Drosselspule L1a, erstem Halbleiterschalter S1a und zweitem Halbleiterschalter S2a und Messwiderstand R1a. Die zweite Hochsetzstellerstufe HSb besteht aus Drosselspule L1b, erstem Halbleiterschalter S1b und zweitem Halbleiterschalter S2b und Messwiderstand R1b. Die Drosselspulen L1a und L1b weisen im Beispiel jeweils eine Induktivität von 64 µH auf. Die Messwiderstände R1a und R1b weisen im Beispiel jeweils einen Widerstandswert von 20 mΩ auf. Die Leitung, in die die Drosselspule L1a geschaltet ist, geht an einen Kontenpunkt P1a, der einerseits mit dem Drain-Ausgang des zweiten Halbleiterschalters S2a in Verbindung steht. Andererseits steht der Knotenpunkt P1a mit dem Source-Eingang des ersten Halbleiterschalters S1a in Verbindung. Beide Halbleiterschalter S1a und S2a sind als Feldeffekttransistoren des Typs nMOSFET ausgeführt. Sie dienen dazu das Eingangssignal gleichzurichten und zu zerhacken. Dazu werden sie mit einer relativ hohen Frequenz geschaltet, z.B. 100 kHz. Das Ansteuersignal CTRLA1 wird an das Gate des Feldeffekttransistors S1a angelegt. Das Ansteuersignal CTRLA2 wird an das Gate des Feldeffekttransistors S2a angelegt.the 6 shows a basic circuit diagram of a two-stage half-bridge PFC circuit according to the invention with pole reversing circuit. The sinusoidal mains voltage with 230 V effective value and 50 Hz mains frequency is present at the AC in input. This circuit contains two step-up converter stages HSa and HSb. An inductor and two semiconductor switches and a measuring resistor are provided for each step-up converter stage. The first step-up converter stage HSa consists of an inductor L1a, a first semiconductor switch S1a and a second semiconductor switch S2a and a measuring resistor R1a. The second step-up converter stage HSb consists of an inductor coil L1b, a first semiconductor switch S1b and a second semiconductor switch S2b and a measuring resistor R1b. In the example, the choke coils L1a and L1b each have an inductance of 64 μH. In the example, the measuring resistors R1a and R1b each have a resistance value of 20 mΩ. The line into which the choke coil L1a is connected goes to a node P1a which is connected on the one hand to the drain output of the second semiconductor switch S2a. On the other hand, the node P1a is connected to the source input of the first semiconductor switch S1a. Both semiconductor switches S1a and S2a are designed as field effect transistors of the nMOSFET type. They serve to rectify and chop the input signal. To do this, they are switched at a relatively high frequency, eg 100 kHz. The drive signal CTRLA1 is applied to the gate of the field effect transistor S1a. The drive signal CTRLA2 is applied to the gate of the field effect transistor S2a.

Die Leitung, in die die Drosselspule L1b geschaltet ist, geht an einen Kontenpunkt P1b, der einerseits mit dem Drain-Ausgang des zweiten Halbleiterschalters S2b in Verbindung steht. Andererseits steht der Knotenpunkt P1b mit dem Source-Eingang des ersten Halbleiterschalters S1b in Verbindung. Auch diese Halbleiterschalter S1b und S2b sind als Feldeffekttransistoren des Typs nMOSFET ausgeführt. Stattdessen könnten für alle oder gewählte Halbleiterschalter andere Halbleiterschalter, wie bipolare Transistoren, Thyristoren oder IGBT's eingesetzt werden. Das Ansteuersignal CTRLB1 wird an das Gate des Feldeffekttransistors S1b angelegt. Das Ansteuersignal CTRLB2 wird an das Gate des Feldeffekttransistors S2b angelegt. Das genaue Timing dieser Ansteuersignale wird in einer Digitalschaltung berechnet, die in 6 nicht gezeigt ist, die aber nachfolgend noch genauer erläutert wird.The line into which the choke coil L1b is connected goes to a node P1b which is connected on the one hand to the drain output of the second semiconductor switch S2b. On the other hand, the node P1b is connected to the source input of the first semiconductor switch S1b. These semiconductor switches S1b and S2b are also in the form of field effect transistors of the nMOSFET type. Instead, other semiconductor switches, such as bipolar transistors, thyristors or IGBTs, could be used for all or selected semiconductor switches. The drive signal CTRLB1 is applied to the gate of the field effect transistor S1b. The drive signal CTRLB2 is applied to the gate of the field effect transistor S2b. The exact timing of these drive signals is calculated in a digital circuit that is 6 is not shown, but which is explained in more detail below.

Am Ausgang der Halbbrücken-PFC-Schaltung 100 ist ein Siebkondensator C1 angeschaltet, der während der Durchschaltphase der Halbleiterschalter S1a und S1b aufgeladen wird und dem nachfolgenden Gleichstromsteller des Schaltnetzgerätes eine hohe Spannung von z.B. 400 V zur Verfügung stellt. Der Siebkondensator C1 hat z.B. eine Kapazität von 600 µP. Der Strom, der bei geöffnetem Halbleiterschalter S1a und S1b in umgekehrter Richtung zum Entladen der Transistorkapazität von Halbleiterschalter S2a und S2b fließt, fließt durch den Messwiderstand R1a und R1b, der im unteren Schaltzweig der Reihenschaltung der beiden Halbleiterschalter S1a, S2a und S1b, S2b vorgesehen ist. Mit diesem Stromfluss wird also die Transistorkapazität des jeweils in einer Hochsetzstellerstufe HSa, HSb enthaltenen unteren Halbleiterschalters S2a, S2b entladen, was für ein möglichst verlustloses Schalten nötig ist. Um dies zu erzielen, ist zunächst die messtechnische Erfassung des Stromflusses erforderlich. Deshalb wird der Spannungsabfall über den Messwiderstand R1a erfasst. Dies wird so gemacht, dass die Spannungen an den Kontenpunkten P3a und P4a zu Eingängen einer Signalanpassungsschaltung MEa geführt wird. In der Signalanpassungsschaltung werden die Messsignale verstärkt, gefiltert und es wird über einen Spannungsteiler die Differenzspannung gebildet, die dann an einen A/D-Eingang der Digitalschaltung 110 geführt wird. Genauso wird der Spannungsabfall über den Messwiderstand R1b der zweiten Hochsetzstellerstufe HSb erfasst. Eine Polwendeschaltung besteht aus den beiden Halbleiterschaltern S3 und S4. Es handelt sich z.B. ebenfalls um nMOS-Feldeffekttransistoren. Der Knotenpunkt P2, an den beide Transistoren geschaltet sind, ist mit der Rückleitung zur Eingangswechselspannungsquelle ACin verbunden. Beide Halbleiterschalter S3 und S4 dienen der Umpolung der Schaltung. Für die positive Halbwelle der Eingangsspannung wird S4 gesperrt und S3 leitend geschaltet. Für die negative Halbwelle der Eingangsspannung wird S3 gesperrt und S4 leitend geschaltet. Die Schaltsignale CTRL3 und CTRL4 werden daher mit der 50 Hz Netzfrequenz erzeugt. Die anliegende Eingangswechselspannung wird ebenfalls erfasst. Zur Signalanpassung dient die Signalanpassungsschaltung ME1. Das Differenzsignal wird einem weiteren A/D-Eingang der Signalerzeugungseinheit 110 zugeführt. Die aufwärts gewandelte Ausgangsspannung Vout wird auch erfasst. Zur Signalanpassung dient die Signalanpassungsschaltung ME2. Die messtechnisch angepasste Ausgangsspannung Vout wird einem weiteren A/D-Eingang der Signalerzeugungseinheit 110 zugeführt.At the output of the half-bridge PFC circuit 100, a filter capacitor C1 is connected, which is charged during the switching phase of the semiconductor switches S1a and S1b and provides the subsequent DC converter of the switched-mode power supply with a high voltage of 400 V, for example. The filter capacitor C1 has a capacitance of 600 μP, for example. The current, which flows in the opposite direction to discharging the transistor capacitance of semiconductor switches S2a and S2b when the semiconductor switches S1a and S1b are open, flows through the measuring resistor R1a and R1b, which is provided in the lower switching branch of the series connection of the two semiconductor switches S1a, S2a and S1b, S2b . With this current flow, the transistor capacitance of the lower semiconductor switch S2a, S2b contained in a step-up converter stage HSa, HSb is discharged, which is necessary for switching with as few losses as possible. In order to achieve this, it is first necessary to measure the current flow. Therefore, the voltage drop across the measuring resistor R1a is recorded. This is done in such a way that the voltages at the node points P3a and P4a are fed to inputs of a signal conditioning circuit MEa. In the signal conditioning circuit, the measurement signals are amplified and filtered, and the difference voltage is formed via a voltage divider, which is then fed to an A/D input of the digital circuit 110 . The voltage drop across the measuring resistor R1b of the second step-up converter stage HSb is recorded in exactly the same way. A pole-changing circuit consists of the two semiconductor switches S3 and S4. These are, for example, also nMOS field effect transistors. Node P2, to which both transistors are connected, is connected to the return line to the AC input voltage source AC in . Both semiconductor switches S3 and S4 are used to reverse the polarity of the circuit. For the positive half-cycle of the input voltage, S4 is blocked and S3 is switched on. For the negative half cycle of the input voltage, S3 is blocked and S4 is switched on. The switching signals CTRL3 and CTRL4 are therefore generated with the 50 Hz mains frequency. The incoming AC input voltage is also recorded. The signal adjustment circuit ME1 is used for signal adjustment. The difference signal is fed to a further A/D input of the signal generation unit 110 . The boosted output voltage Vout is also detected. The signal adjustment circuit ME2 is used for signal adjustment. The metrologically adapted output voltage Vout is fed to a further A/D input of the signal generation unit 110 .

Die 7 zeigt eine andere Variante dieser Halbbrücken-PFC-Schaltung, bei der die beiden Halbleiterschalter S3 und S4 durch Dioden D1 und D2 ersetzt sind. Bei diesen besteht der Vorteil, dass sie keine dedizierten Schaltsignale benötigen. Die Dioden sind selbstsperrend und zeigen das gewünschte Polwende-Verhalten auch ohne Ansteuersignale. Die anderen Komponenten in 7, die die gleichen Bezugszahlen haben wie in 6, bezeichnen die gleichen Komponenten.the 7 shows another variant of this half-bridge PFC circuit, in which the two semiconductor switches S3 and S4 are replaced by diodes D1 and D2. These have the advantage that they do not require dedicated switching signals. The diodes are self-locking and show the desired polarity reversal behavior even without control signals. The other components in 7 , which have the same reference numbers as in 6 , denote the same components.

Mit der Schaltung gem. 7 wird ein Ansatz für eine einstufige aktive PFC-Schaltung weiterentwickelt, der bereits in der parallelen Patentanmeldung P-2020-0136 DE der Anmelderin vorgestellt wurde.With the circuit acc. 7 an approach for a single-stage active PFC circuit is further developed, which was already presented in the applicant's parallel patent application P-2020-0136 DE.

Dabei wird die Zeit Ton, die zum Zerhacken der Eingangsspannung mit ca. 100 kHz angesetzt wird, über eine Sinushalbwelle der Netzspannung konstant gehalten. Diese Zeit entspricht der Zeit zum jeweiligen Aufmagnetisieren der Induktivität L pro Regelvorgang. Wie beschrieben, enthält die PFC-Schaltung einen Stromregelkreis der die Aufgabe hat, den Augenblickswert des Eingangsstromes IL(t) (Drosselstrom) proportional zum Augenblickswert der Eingangsspannung Vin(t) zu halten. Das geschieht durch Variation der Regelzykluszeit. So kann dann der Leistungsfaktor nahe bei Eins gehalten werden. Diese Zeit ist proportional zur Leistung und wird von einem Spannungsregler vorgegeben, der die Ausgangsspannung der Schaltung z.B. auf 400 V konstant halten soll.The time Ton, which is set at approx. 100 kHz for chopping the input voltage, is kept constant over a sine half wave of the mains voltage. This time corresponds to the time required to magnetize the inductance L per control process. As described, the PFC circuit contains a current control loop which has the task of keeping the instantaneous value of the input current I L (t) (choke current) proportional to the instantaneous value of the input voltage V in (t). This is done by varying the control cycle time. In this way, the power factor can then be kept close to one. This time is proportional to the power and is specified by a voltage regulator, which is intended to keep the output voltage of the circuit constant at 400 V, for example.

Um die Zeit zum Abmagnetisieren der Drosselspule L einzustellen, wird bei der parallelen Patentanmeldung der Anmelderin der Zeitpunkt, an dem der erste Halbleiterschalter S1a, S1b abschalten soll, vorausberechnet und diese Berechnung mit Hilfe eines zusätzlichen Stromregelvorgangs korrigiert. Diese Vorausberechnung und Korrektur kann basierend auf der positiven Eingangsspannung (positive Halbwelle) oder der negativen Eingangsspannung (negative Halbwelle) durchgeführt werden, denn die notwendige Information, um die Stromschwellen ausregeln zu können, ist in beiden Fällen enthalten. In order to set the time for demagnetizing the choke coil L, the time at which the first semiconductor switch S1a, S1b is to switch off is precalculated in the applicant's parallel patent application and this calculation is corrected with the aid of an additional current control process. This pre-calculation and correction can be carried out based on the positive input voltage (positive half-cycle) or the negative input voltage (negative half-cycle), because the necessary information to be able to correct the current thresholds is contained in both cases.

Allerdings bezieht sich die Lösung in der parallelen Patentanmeldung nur auf einen Aufwärtswandler mit einer Hochsetzstellerstufe.However, the solution in the parallel patent application relates only to a step-up converter with a step-up converter stage.

Bei dem einstufigen Aufwärtswandler wird die Aufmagnetisierungszeit und die Abmagnetisierungszeit in der integrierten Schaltung 110 vorausberechnet. Die Regelzykluszeit der Hochsetzstellerstufe wird dabei nur noch angepasst, um die untere Stromschwelle des Stromspitzenwertes zu erreichen. Die vorausberechneten Werte können deshalb für beide Hochsetzstellerstufen benutzt werden.In the case of the single-stage boost converter, the magnetization time and the demagnetization time are precalculated in the integrated circuit 110 . The control cycle time of the step-up converter stage is then only adjusted in order to reach the lower current threshold of the current peak value. The pre-calculated values can therefore be used for both step-up converter stages.

Um den Ripple-Strom zu minimieren, ist es erforderlich die Hochsetzstellerstufen zeitlich versetzt arbeiten zu lassen. Bei einer zweistufigen Aufwärtswandler-Schaltung ist es am besten den Schaltzyklus der zweiten Stufe um 180° phasenversetzt zur ersten Hochsetzstellerstufe HSa zu betreiben. Dafür wird ein Master-Timer genutzt, der die Regelzykluszeiten für beide Stufen vorgibt. Dies kann so erfolgen, dass bei Erreichen des halben Timer-Wertes das Schaltsignal CTRL_B1 für das Einschalten des ersten Halbleiterschalters S1b der zweiten Stufe HSb zurückgesetzt wird und für die erste Hochsetzstellerstufe HSb das Schaltsignal CTRL_A1 erst zum Ende des Master-Timer-Wertes. Würde man es dabei belassen, wäre die Phasenverschiebung von 180° zwischen den Schaltzyklen vorhanden, aber es wäre nicht gewährleistet, dass der Drosselstrom in der Hochsetzstellerstufe HSb den gleichen unteren Schwellenwert hält wie der Drosselstrom in der Hochsetzstellerstufe HSa. Da das Regelverfahren der ersten Hochsetzstellerstufe HSa Einfluss nimmt auf die Periodendauer des Schaltzyklus (bzw. Abmagnetisierungszeit) und darüber die 180° Phasenverschiebung in der Ansteuerung der Halbleiterschalter gesteuert wird, wird deshalb erfindungsgemäß das Regelverfahren für die zweite Hochsetzstellerstufe HSb abgewandelt.In order to minimize the ripple current, it is necessary to allow the step-up converter stages to work at different times. In a two-stage boost converter circuit, it is best to operate the switching cycle of the second stage 180° out of phase with the first boost converter stage HSa. A master timer is used for this, which specifies the control cycle times for both stages. This can be done in such a way that when half the timer value is reached, the switching signal CTRL_B1 for switching on the first semiconductor switch S1b of the second stage HSb is reset and for the first step-up converter stage HSb the switching signal CTRL_A1 is only reset at the end of the master timer value. If you left it at that, the phase shift of 180° between the switching cycles would exist, but it would not be guaranteed that the inductor current in the boost converter stage HSb would have the same lower threshold value as the inductor current in the boost converter stage HSa. Since the control method of the first step-up converter stage HSa influences the period of the switching cycle (or demagnetization time) and the 180° phase shift in the activation of the semiconductor switches is controlled via this, the control method for the second step-up converter stage HSb is therefore modified according to the invention.

Die Signalerfassung und die Art der Regelung der zweiten Stufe sind identisch zur ersten Hochsetzstellerstufe HSa. In der zweiten Hochsetzstellerstufe HSb wird zur Ausregelung des gleichen unteren Schwellwertes des Drosselspulenstroms aber nicht Einfluss auf die Periodendauer genommen, sondern auf die Aufmagnetisierungszeit dieser Stufe. So wird also die Ausgangsgröße des Reglers für die Hochsetzstellerstufe HSb zu der vorausberechneten Aufmagnetisierungszeit für diese Stufe hinzuaddiert oder subtrahiert, je nachdem welches Vorzeichen die Regelgröße des Reglers hat. Der untere Schwellwert kann so ebenfalls erreicht werden ohne Anpassung der Regelzykluszeit.The signal detection and the type of control of the second stage are identical to the first step-up converter stage HSa. In the second step-up converter stage HSb, however, in order to regulate the same lower threshold value of the inductor coil current, it is not the period duration that is influenced, but rather the magnetization time of this stage. So the output variable of the controller for the step-up converter stage HSb is added to or subtracted from the precalculated magnetization time for this stage, depending on the sign of the controlled variable of the controller. The lower threshold value can also be reached in this way without adjusting the control cycle time.

8 zeigt ein Blockschaltbild der Signalerzeugungseinheit 110 mit dem die Ansteuersignale CTRL_A1, CTRL_A2 und CTRL_B1, CTRL_B2 für die Halbleiterschalter der Hochsetzstellerstufen HSa, HSb erzeugt werden. Es handelt sich um einen integrierten Schaltkreis mit dem diese Art der Regelung umgesetzt wird. Der integrierte Schaltkreis kann in Form eines DSP (digital signal processor), FPGA (field programmable gate array), oder ASIC (application specific integrated circuit) oder mit Hilfe eines Standard Mikrocontrollers und entsprechender Software realisiert werden. Dabei gilt die dargestellte Variante für den Fall dass die positive Eingangsspannung (Halbwelle) der Eingangswechselspannung anliegt. Die Regler-Architektur ist aber für den Betrieb bei beiden Halbwellen der Eingangswechselspannung ausgelegt. Dafür ist allerdings eine Umkonfiguration von Komponenten der Regler-Architektur erforderlich. 8th shows a block diagram of the signal generation unit 110 with which the control signals CTRL_A1, CTRL_A2 and CTRL_B1, CTRL_B2 for the semiconductor switches of the step-up converter stages HSa, HSb are generated. It is an integrated circuit with which this type of control is implemented. The integrated circuit can be implemented in the form of a DSP (digital signal processor), FPGA (field programmable gate array), or ASIC (application specific integrated circuit) or using a standard microcontroller and appropriate software. The variant shown applies to the case that the positive input voltage (half-wave) of the AC input voltage is applied. However, the controller architecture is for operation with both half-waves of the input change designed for voltage. However, this requires the components of the controller architecture to be reconfigured.

Mit dem Regler werden die Ansteuersignale CTRL_A1 und CTRL_A2 für die Halbleiterschalter S1a und S2a der ersten Hochsetzstellerstufe HSa und CTRL_B1 und CTRL_B2 für die Halbleiterschalter S1b und S2b der zweiten Hochsetzstellerstufe HSb 100 erzeugt. Das Blockschaltbild enthält die folgenden Komponenten: Mit der Bezugszahl 111 sind drei Subtraktionsstufen bezeichnet. In der ersten Subtraktionsstufe 111 wird die Ausgangsspannung Vout von der Referenzspannung VOut_Ref abgezogen. Die Ausgangsspannung soll möglichst konstant gehalten werden auf den Wert von 400 V. Es wird damit in der ersten Subtraktionsstufe 111 die Abweichung von dem Sollwert bestimmt. Je nach Belastung des Schaltnetzgerätes kann die Zwischenkreisspannung von 400 V variieren und es muss nachgeregelt werden. In der zweiten Subtraktionsstufe 111 wird von dem festgelegten Stromschwellen-Referenzwert INeg_Ref der aktuell gemessene Strom Ib_neg durch den Messwiderstand R1b abgezogen. Die Messung des Stroms findet dabei immer zu den vorausberechneten und korrigierten Zeitpunkten statt. Es müssen keine weiteren Strommesswerte erfasst werden. Somit wird in dieser Subtraktionsstufe 111 die jeweilige Abweichung Ierr von dem Sollwert Iref bestimmt. Das ist die wesentliche Information für die nachfolgende Regelungsstufe 113b, in der die Korrektur TP_­Offset für die vorausberechnete Periodendauer TP des jeweiligen Regelzyklus berechnet wird. Dafür kann z.B. ein PI-Regler oder PID-Regler benutzt werden. Je nach Anforderung, wie schnell die Differenz ausgeregelt werden soll, kann auch ein anderer Regler eingesetzt werden. Die Regelungsstufe 113b gibt den Korrekturwert TP_Offset an die nachgeschaltete Master-Zeitgebereinheit 116 aus. Der Master-Zeitgebereinheit 116 wird zusätzlich auch die Information über die berechnete Regelzykluszeit TP geliefert. Diese wird in der Berechnungseinheit 114 berechnet, der dafür auch die berechnete Aufmagnetisierungszeit Ton an zugeführt wird. Diese Information Ton wird von der Regelungsstufe 112 geliefert. Diese Zeit Ton wird für die positive Halbwelle konstant gehalten. Es handelt sich deshalb um eine Regelstufe, die den Stellwert nur relativ langsam nachregelt. Es hat sich gezeigt, dass dafür sogar ein 10 Hz PI-Regler ausreicht. Die Aufmagnetisierungszeit Ton kann mit Hilfe der Formel t o n = P i n 2 L V i n 2

Figure DE102020118108A1_0006
berechnet werden, die bereits eingangs erläutert wurde. Diese Formel gilt immer dann, wenn der Stromverlauf durch die Drosselspule L an der Lückgrenze betrieben wird. Diese Regelungsstufe 112 arbeitet mit der Eingangsinformation über die Differenz zwischen gewünschter Zwischenkreisspannung von z.B. 400 V und der tatsächlich gemessenen Zwischenkreisspannung. Die Differenz wird von der Subtraktionsstufe 111a geliefert.The control signals CTRL_A1 and CTRL_A2 for the semiconductor switches S1a and S2a of the first boost converter stage HSa and CTRL_B1 and CTRL_B2 for the semiconductor switches S1b and S2b of the second boost converter stage HSb 100 are generated with the controller. The block diagram contains the following components: The reference number 111 designates three subtraction stages. In the first subtraction stage 111, the output voltage Vout is subtracted from the reference voltage V Out_Ref. The output voltage should be kept as constant as possible at the value of 400 V. The deviation from the desired value is thus determined in the first subtraction stage 111 . Depending on the load on the switched-mode power supply, the intermediate circuit voltage can vary from 400 V and must be readjusted. In the second subtraction stage 111, the currently measured current I b_neg through the measuring resistor R1b is subtracted from the specified current threshold reference value I Neg_Ref. The current is always measured at the precalculated and corrected points in time. No further current measurement values need to be recorded. Thus, in this subtraction stage 111, the respective deviation I err from the desired value I ref is determined. This is the essential information for the subsequent control stage 113b, in which the correction T P_Offset for the precalculated period T P of the respective control cycle is calculated. A PI controller or PID controller can be used for this, for example. Depending on the requirement as to how quickly the difference should be corrected, a different controller can also be used. The control stage 113b outputs the correction value T P_Offset to the downstream master timer unit 116 . In addition, the information about the calculated control cycle time T P is also supplied to the master timer unit 116 . This is calculated in the calculation unit 114, which is also for the calculated magnetizing T on to fed. This information T on is supplied by the control stage 112. This time T on is kept constant for the positive half-wave. It is therefore a control stage that readjusts the manipulated variable only relatively slowly. It has been shown that even a 10 Hz PI controller is sufficient for this. The magnetization time T on can be calculated using the formula t O n = P i n 2 L V i n 2
Figure DE102020118108A1_0006
are calculated, which has already been explained at the outset. This formula always applies when the current flow through the choke coil L is operated at the gap limit. This control stage 112 works with the input information about the difference between the desired intermediate circuit voltage of, for example, 400 V and the actually measured intermediate circuit voltage. The difference is provided by the subtractor 111a.

Die Berechnungseinheit 114 berechnet die Regelzykluszeit nach der Formel T P = V i n V o u t V i n T o n + T o n

Figure DE102020118108A1_0007
die sich aus der Zeit für die Gesamtlänge von Aufmagnetisierungszeit Ton und der Abmagnetisierungszeit Toff zusammensetzt. Der erste Teil der Formel entspricht dabei der Formel für die Berechnung der Abmagnetisierungszeit, die eingangs erwähnt wurde.The calculation unit 114 calculates the control cycle time according to the formula T P = V i n V O and t V i n T O n + T O n
Figure DE102020118108A1_0007
which is made up of the time for the total length of the magnetization time T on and the demagnetization time Toff. The first part of the formula corresponds to the formula for calculating the demagnetization time that was mentioned at the beginning.

Die Master-Zeitgebereinheit 116 entspricht einer programmierbaren ZeitgeberEinheit, die jeweils nach Ablauf der eingestellten Zeiten ein Ereignis (Event) ausgibt. Man könnte das Ereignis auch in Form eines generierten Signales ausgeben. In der Digitaltechnik kann das Ereignis auch in Form eines Software-Ereignisses ausgegeben werden, durch das ähnlich wie bei einem per Software generierten Interrupt eine bestimmte Programmroutine aufgerufen wird. In der Master-Zeitgebereinheit 116 wird ein Timer gesetzt, mit dem die Regelzykluszeit für die Schaltvorgänge in beiden Hochsetzstellerstufen HSa und HSb gebildet wird. Gleichzeitig wird mit diesem Timer auch der Versatz von 180° Phasendifferenz zwischen den Ansteuerungen der Halbleiterschalter in den beiden Hochsetzstellerstufe HSa und HSb gesteuert.The master timer unit 116 corresponds to a programmable timer unit which outputs an event after the set times have elapsed. The event could also be output in the form of a generated signal. In digital technology, the event can also be issued in the form of a software event, which, similar to a software-generated interrupt, calls a specific program routine. A timer is set in the master timer unit 116, with which the control cycle time for the switching processes in the two step-up converter stages HSa and HSb is formed. At the same time, the offset of 180° phase difference between the controls of the semiconductor switches in the two step-up converter stages HSa and HSb is also controlled with this timer.

Von der Regelungsstufe 113a wird eine Regelgröße berechnet, die der Korrektur TOn_Offset der Aufmagnetsierungszeit Ton entspricht. Auch diese Korrektur wird pro Regelzyklus neu berechnet, also mit einer Frequenz von ca. 100 kHz.A controlled variable is calculated by the control stage 113a, which corresponds to the correction T On_Offset of the magnetization time T on . This correction is also recalculated per control cycle, ie with a frequency of approx. 100 kHz.

In der Zeitgebereinheit 115b wird ein Timer gesetzt, der die Aufmagnetsierungszeit Ton für die Hochsetzstellerstufe HSb bestimmt. Dieser Timer wird ebenfalls pro Regelzyklus, also mit ca. 100 kHz neu gesetzt. In der Zeitgebereinheit 115a wird ein Timer gesetzt, der die Aufmagnetsierungszeit für die Hochsetzstellerstufe HSa bestimmt. Dieser Timer wird pro Regelzyklus, also mit ca. 100 kHz neu gesetzt. Die Einstellung dieses Timers unterscheidet sich von der Einstellung des Timers in der Zeitgebereinheit 115b, denn es wird statt der Regelzykluszeit die Aufmagnetisierungszeit angepasst um die untere Stromschwelle auszuregeln. Dafür wird die Differenz gebildet zwischen Aufmagnetisierungszeit Ton und Korrekturwert TOn_Offset in einer weiteren Subtraktionsstufe 111.A timer is set in the timer unit 115b, which timer determines the magnetization time T on for the step-up converter stage HSb. This timer is also reset per control cycle, i.e. with approx. 100 kHz. A timer is set in the timer unit 115a, which timer determines the magnetization time for the step-up converter stage HSa. This timer is reset per control cycle, i.e. with approx. 100 kHz. The setting of this timer differs from the setting of the timer in the timer unit 115b because the magnetization time is adjusted instead of the control cycle time in order to regulate the lower current threshold. For this purpose, the difference between the magnetization time T on and the correction value T on_Offset is formed in a further subtraction stage 111.

Die eigentliche Signalerzeugung für die Ansteuersignale CTRL_A1, CTRL_A2 und CTRL_B1, CTRL_B2 geschieht in der PWM-Signalerzeugungseinheit 119. The actual signal generation for the control signals CTRL_A1, CTRL_A2 and CTRL_B1, CTRL_B2 takes place in the PWM signal generation unit 119.

Mit der Zustandsmaschine 117 wird der Zustand der Eingangsspannung erfasst. Diese wird mit einem Zeitraster von 25 kHz abgetastet. Die Zustandsmaschine 117 ermittelt, ob die positive Halbwelle vorliegt oder die negative Halbwelle der Eingangsspannung. Der ermittelte Zustand wird an eine Konfigurationseinheit 118 weitergeleitet, die in Abhängigkeit des Zustandes entsprechende Registereinstellungen für die verschiedenen Blöcke des integrierten Schaltkreises 110 vornimmt. Zumindest die PWM-Signalerzeugungseinheit 119 muss umkonfiguriert werden, denn bei negativer Eingangsspannung sind die Funktionen der Halbleiterschalter S1 und S2 vertauscht.The state of the input voltage is detected with the state machine 117 . This is sampled with a time grid of 25 kHz. The state machine 117 determines whether the positive half cycle or the negative half cycle of the input voltage is present. The status determined is forwarded to a configuration unit 118 which makes corresponding register settings for the various blocks of the integrated circuit 110 depending on the status. At least the PWM signal generation unit 119 has to be reconfigured, since the functions of the semiconductor switches S1 and S2 are reversed when the input voltage is negative.

Die 9 zeigt den Stromregelvorgang bei positiver Eingangsspannung, also bei der positiven Halbwelle der Eingangswechselspannung. Die Ansteuersignale für die Halbleiterschalter der beiden Hochsetzstellerstufen HSa werden mit Hilfe der drei verschiedenen Zeitgeber-Einheiten 116, 115a und 115b gebildet. Für diese ist der Verlauf der Timer-Stände jeweils für drei Regelzyklen angegeben. Zusätzlich ist das Timing der Ansteuersignale für die Halbleiterschalter in den Hochsetzstellerstufe HSa und HSb angegeben. Bei den Timer-Diagrammen ist entlang der Ordinate der Verlauf des Timerwertes aufgetragen. Entlang der Abszisse ist die Zeit t aufgetragen. Die Timerwerte laufen durch Inkrementierung linear hoch bis zu einem eingestellten Maximalwert, an dem sie wieder zurückgesetzt werden.the 9 shows the current control process with a positive input voltage, i.e. with the positive half-wave of the input AC voltage. The control signals for the semiconductor switches of the two step-up converter stages HSa are formed with the aid of the three different timer units 116, 115a and 115b. For these, the history of the timer statuses is given for three control cycles. In addition, the timing of the drive signals for the semiconductor switches in the step-up converter stages HSa and HSb is specified. The course of the timer value is plotted along the ordinate in the timer diagrams. The time t is plotted along the abscissa. The timer values run up linearly by incrementing up to a set maximum value, at which point they are reset again.

Die Master-Zeitgebereinheit 116 wird pro Regelzyklus auf den Maximalwert TP + TP_­Offset gesetzt. Wenn die Hälfte dieses Wertes erreicht ist, wird die Abmagnetisierungszeit für die erste Hochsetzstellerstufe HSa beendet. Wenn der Maximalwert erreicht ist, wird die Abmagnetisierungszeit für die zweite Hochsetzstellerstufe HSb beendet. So arbeiten beide Hochsetzstellerstufen um 180° versetzt.The master timer unit 116 is set to the maximum value T P +T P_Offset per control cycle. When half of this value is reached, the demagnetization time for the first step-up converter stage HSa ends. When the maximum value is reached, the demagnetization time for the second boost converter stage HSb ends. Both step-up converter stages work offset by 180°.

Die Zeitgebereinheit 115a bestimmt die Zeiten der Schaltvorgänge zum Aufmagnetisieren der Drosselspule L1a in der Hochsetzstellerstufe HSa während der positiven Halbwelle der Eingangs-Wechselspannung ACin. Das Ansteuersignal mit dem der Halbleiterschalter S2a für die Aufmagnetisierungsphase geschaltet wird, ist in 9 auch mit CTRL_A2 bezeichnet. Dafür wird der Halbleiterschalter S2a geöffnet und der Halbleiterschalter S1a geschlossen. Der Timer der Zeitgebereinheit 115a wird gestartet, nachdem die Master-Zeitgebereinheit 116 die Abmagnetisierungszeit für die Hochsetzstellerstufe HSa beendet hat. Zusätzlich wird noch eine kurze Wartezeit delay2 abgewartet. Diese dient dazu sicherzustellen, dass die Umschaltvorgänge in den Halbleiterschaltern abgeschlossen sind bevor die nächste Aufmagnetisierungsphase beginnt. Das Ansteuersignal CTRL_A2 wird mit Erreichen des Timerwertes CMP1=delay gestartet und bei Erreichen des programmierten Timerwertes CMP3= Ton+TOn_Offset beendet. Die delay-Werte sind dabei der Einfachheit halber fest eingestellt. Falls nötig, könnten sie aber auch variabel eingestellt werden. Der Korrekturwert TOn_A_Offset hängt von dem gemessenen Stromwert durch den Messwiderstand R1 ab, der pro Regelzyklus neu erfasst wird. Die Messung des Stroms durch den Messwiderstand R1 erfolgt zum Zeitpunkt CMP4 = TP + TP_­Offset - ADC_preTime allerdings bezogen auf den Zählerstand des Timers des Zeitgebereinheit 115a. Die Messung des Stroms durch den Messwiderstand R2 erfolgt zum Zeitpunkt
CMP4=TP+TP_Offset-ADC_preTime allerdings bezogen auf den Zählerstand des Timers des Zeitgebereinheit 115b. Dabei wird der jeweilige AD-Wandler an den vorausberechneten und korrigierten Zeitpunkten zur Messwerterfassung getriggert. Durch die Zeit ADC_preTime wird sichergestellt, dass nicht während eines Umschaltvorgangs der Strom gemessen wird. Dadurch sind die Erfassungszeitpunkte gegeneinander versetzt. Die Messwerte dienen als Istwerte für die Berechnungen für den nächsten Regelzyklus.
The timer unit 115a determines the times of the switching operations for magnetizing the inductor coil L1a in the step-up converter stage HSa during the positive half-cycle of the AC input voltage AC in . The drive signal with which the semiconductor switch S2a is switched for the magnetization phase is in 9 also referred to as CTRL_A2. For this purpose, the semiconductor switch S2a is opened and the semiconductor switch S1a is closed. The timer of the timer unit 115a is started after the master timer unit 116 has completed the demagnetization time for the step-up converter stage HSa. In addition, there is a short waiting time delay2. This serves to ensure that the switching processes in the semiconductor switches are completed before the next magnetization phase begins. The control signal CTRL_A2 is started when the timer value CMP1=delay is reached and terminated when the programmed timer value CMP3=T on +T On_Offset is reached. The delay values are fixed for the sake of simplicity. If necessary, they could also be set variably. The correction value T On_A_Offset depends on the measured current value through the measuring resistor R1, which is newly recorded per control cycle. The measurement of current is carried through the measuring resistor R1 at the time CMP4 = T P + T P_Offset - ADC_preTime However, based on the count of the timer of the timer unit 115a. The current through the measuring resistor R2 is measured at the time
CMP4=T P +T P_Offset -ADC_preTime, however, related to the count of the timer of the timer unit 115b. The respective AD converter is triggered at the pre-calculated and corrected points in time for measured value acquisition. The time ADC_preTime ensures that the current is not measured during a switching process. As a result, the recording times are offset from one another. The measured values serve as actual values for the calculations for the next control cycle.

Der berechnete Timerwert CMP3= Ton+TOn_Offset berücksichtigt auch die Zeit delay. Zwischen Abschalten der Aufmagnetisierungsphase und Starten der Abmagnetisierungsphase wird die Zeit delay1 abgewartet. Die Abmagnetisierungsphase dient zum Abmagnetisieren der Drosselspule L1a sowie zum Entladen der Transistorkapazität von Halbleiterschalter S2a mit dem vorausberechneten Wert. Die Abmagnetisierungsphase ist auch variabel, weil die Dauer der Regelzykluszeit vorgegeben ist und die Aufmagnetisierungszeit variabel ist. Die Abmagnetisierungsphase wird durch Erzeugen des Ansteuersignals CTRL_A1 bestimmt.The calculated timer value CMP3= T on +T On_Offset also takes into account the time delay. The time delay1 is awaited between switching off the magnetization phase and starting the demagnetization phase. The demagnetization phase serves to demagnetize the choke coil L1a and to discharge the transistor capacitance of the semiconductor switch S2a with the precalculated value. The demagnetization phase is also variable because the duration of the control cycle time is predetermined and the magnetization time is variable. The demagnetization phase is determined by generating the control signal CTRL_A1.

Die Zeitgebereinheit 115b bestimmt die Zeiten der Schaltvorgänge zum Aufmagnetisieren der Drosselspule L1b in der Hochsetzstellerstufe HSb. Die Hochsetzstellerstufe HSb wird so betrieben, wie in der parallelen Patentanmeldung erläutert. Die Aufmagnetisierungszeit wird vorausberechnet und bleibt während der Zeit, wo die positive Halbwelle der Eingangswechselspannung anliegt konstant. Die untere Stromschwelle wird durch Variation der Abmagnetisierungszeit ausgeregelt. Die Aufmagnetisierungsphase wird mit Erreichen des Timerwertes CMP1=delay gestartet. Hier wird das Ansteuersignal CTRL_B2 gestartet. Mit Erreichen des vorausberechneten Wertes CMP3= Ton wird die Aufmagnetisierungsphase beendet. Sodann wird die Wartezeit delay3 abgewartet, bevor die Abmagnetisierungsphase mit Einschalten des Ansteuersignales CTRL_B1 gestartet wird. Diese Abmagnetisierungsphase wird variabel beendet indem die Master-Zeitgebereinheit 116 die Regelzykluszeit variabel beendet. Zum Einsatz kommt dabei der Korrekturwert, um den die nach dem vorhergehenden Regelvorgang vorausberechnete Zeit TP pro Regelzyklus korrigiert wird. Nach Abschaltung des Ansteuersignales CTRL_B1 wird die Wartezeit delay4 abgewartet, bevor der Timer der Zeitgebereinheit 115b zurückgesetzt wird. Für die Bestimmung der Aufmagnetisierungsphase wird das Ansteuersignal CTRL_B2 wie dargestellt erzeugt.The timer unit 115b determines the times of the switching processes for magnetizing the inductor coil L1b in the step-up converter stage HSb. The boost converter stage HSb is operated as explained in the parallel patent application. The magnetization time is calculated in advance and remains constant during the time when the positive half-wave of the AC input voltage is present. The lower current threshold is regulated by varying the demagnetization time. The magnetization phase is started when the timer value CMP1=delay is reached. The control signal CTRL_B2 is started here. When the pre-calculated value CMP3= T on is reached, the Aufmagneti phase ended. Then the waiting time delay3 is awaited before the demagnetization phase is started by switching on the control signal CTRL_B1. This demagnetization phase is terminated variably by the master timer unit 116 terminating the control cycle time variably. The correction value is used here, by which the time T P per control cycle calculated in advance after the previous control process is corrected. After the activation signal CTRL_B1 has been switched off, the waiting time delay4 is awaited before the timer of the timer unit 115b is reset. To determine the magnetization phase, the control signal CTRL_B2 is generated as shown.

10 zeigt die entsprechenden Regelvorgänge bei negativer Eingangsspannung zum Ende der Stromflanke. Gleiche Bezugszahlen bezeichnen wieder die gleichen Komponenten wie zuvor erläutert. Es wird aber angemerkt, dass die Halbleiterschalter in den Hochsetzstellerstufen HSa und HSb jeweils die Rollen tauschen. Die Zeitgebereinheit 115a bestimmt die Zeiten der Schaltvorgänge zum Abmagnetisieren der Drosselspule L1a in der Hochsetzstellerstufe HSa während der negativen Halbwelle der Eingangs-Wechselspannung ACin. Die Master-Zeitgebereinheit 116 bestimmt das Ende der Phase zum Aufmagnetisieren um den 180° Phasen-Versatz zu erhalten. Die Zeitgebereinheit 115b bestimmt die Zeiten der Schaltvorgänge zum Aufmagnetisieren der Drosselspule L1b in der Hochsetzstellerstufe HSb während der negativen Halbwelle der Eingangs-Wechselspannung ACin. Die Zeit zum Abmagnetisieren wird von der Master-Zeitgebereinheit 116 bestimmt. 10 shows the corresponding control processes with a negative input voltage at the end of the current edge. The same reference numbers again designate the same components as previously explained. However, it is noted that the semiconductor switches in the step-up converter stages HSa and HSb each swap roles. The timer unit 115a determines the times of the switching processes for demagnetizing the inductor coil L1a in the step-up converter stage HSa during the negative half-cycle of the AC input voltage AC in . The master timing unit 116 determines the end of the magnetization phase to obtain the 180° phase offset. The timing unit 115b determines the times of the switching processes for magnetizing the inductor L1b in the step-up converter stage HSb during the negative half-cycle of the AC input voltage AC in . The time for demagnetization is determined by the master timer unit 116 .

Die Offenbarung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Es gibt Raum für verschiedene Anpassungen und Modifikationen, die der Fachmann aufgrund seines Fachwissens als auch zu der Offenbarung zugehörend in Betracht ziehen würde.The disclosure is not limited to the exemplary embodiments described here. There is room for various adaptations and modifications that those skilled in the art would contemplate based on their skill in the art as well as belonging to the disclosure.

BezugszeichenlisteReference List

11
Netzfilterline filter
22
Gleichrichterrectifier
33
Siebkondensatorfilter capacitor
44
Schaltstufeswitching stage
55
Übertragertransmitter
66
Reglercontroller
77
Optokoppleroptocoupler
1010
Gleichrichtungsstuferectification stage
2020
GleichstromstellerDC chopper
3030
Leistungsübertragungsstufepower transfer stage
4040
Glättungsstufesmoothing level
5050
Regelstufecontrol level
6060
Potenzialtrennungelectrical isolation
7070
Steuerungsteering
100100
Aufwärtswandlerboost converter
110110
Signalerzeugungseinheitsignal generation unit
111111
Subtraktionsstufensubtraction levels
112112
Spannungsregelungsstufevoltage regulation stage
113a113a
1. Stromregelungsstufe1. Current control level
113b113b
2. Stromregelungsstufe2. Current control level
114114
Berechnungseinheitcalculation unit
115a115a
1. Zeitgebereinheit1. Timer unit
115b115b
2. Zeitgebereinheit2. Timer unit
116116
Master-Zeitgebereinheitmaster timer unit
117117
Eingangswechselspannungs-ErfassungseinheitAC input voltage detection unit
118118
Konfigurationseinheitconfiguration unit
119119
PWM-SignalerzeugungseinheitPWM signal generation unit
C1C1
Siebkondensatorfilter capacitor
CTRL_A1, CTRL_A2CTRL_A1, CTRL_A2
Ansteuersignale Hochsetzstellerstufe AControl signals boost converter stage A
CTRL_B1, CTRL_B2CTRL_B1, CTRL_B2
Ansteuersignale Hochsetzstellerstufe BControl signals boost converter stage B
DD
Diodediode
D1, D2D1, D2
Gleichrichter-Dioderectifier diode
DSPDSP
digitaler Signalprozessordigital signal processor
delay, delay1, delay2, delay3, delay4delay, delay1, delay2, delay3, delay4
Wartezeitenwaiting times
CoscCosc
Transistorkapazitättransistor capacitance
HSa, HSbHSa, HSb
Hochsetzstellerstufenboost converter stages
IbIb
gemessener Strommeasured current
Ia_sense, Ib_senseIa_sense, Ib_sense
Leitungen zur StrommessungLines for current measurement
ILIL
Spulenstromcoil current
L1a, L1bL1a, L1b
Drosselspulenchoke coils
ME1, ME2, MEa, MEbME1, ME2, MEa, MEb
Signalanpassungseinheitsignal conditioning unit
P1a, P1b, P2, P3a, P3bP1a, P1b, P2, P3a, P3b
Knotenpunktenodes
R1a, R1bR1a, R1b
Messwiderstandmeasuring resistor
S1a, S2a, S1b, S2bS1a, S2a, S1b, S2b
Halbleiterschaltersemiconductor switch
SNGSNG
Schaltnetzgerätswitching power supply
tOn, TOnton, ton
Aufmagnetisierungszeitmagnetization time
tOfftOff
Abmagnetisierungszeitdemagnetization time
tRestRes
Resonanzschwingungszeitresonant vibration time
TOn_A_OffsetTOn_A_Offset
Korrekturwert AufmagnetisierungszeitCorrection value magnetization time
TP_OffsetTP_Offset
Korrekturwert AbmagnetisierungszeitCorrection value demagnetization time
TPTP
Regelzykluszeitcontrol cycle time
Vinvintage
Eingangsspannunginput voltage
VoutVout
Ausgangsspannungoutput voltage
Vout_refVout_ref
AusgangsspannungsreferenzwertOutput voltage reference value

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • US 8766605 B2 [0008]US 8766605 B2 [0008]
  • US 20070109822 A1 [0012]US20070109822A1[0012]
  • US 8026704 B2 [0012]US 8026704 B2 [0012]
  • US 8363434 B2 [0015]US 8363434 B2 [0015]

Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent Literature Cited

  • „„Current Mode Control structure: Current-Mode Control: Modeling and Digital Application", von Jian Li, April 14, 2009, Blacksburg, Virginia Polytechnic Institute and State University [0013]"Current Mode Control structure: Current-Mode Control: Modeling and Digital Application", by Jian Li, April 14, 2009, Blacksburg, Virginia Polytechnic Institute and State University [0013]
  • „LED Application Design Using BCM Power Factor Correction (PFC) Controller for 100W Lightning System‟; AN-9731, 02011 Fairchild Semiconductor Corporation Rev. 1.0.0, 3/24/11 [0014]"LED Application Design Using BCM Power Factor Correction (PFC) Controller for 100W Lightning System"; AN-9731, 02011 Fairchild Semiconductor Corporation Rev.1.0.0, 3/24/11 [0014]

Claims (16)

Aufwärtswandler für eine Stromversorgung eines elektrischen Verbrauchers mit wenigstens zwei Hochsetzstellerstufen (HSa, HSb), aufweisend eine brückenlose Gleichrichterschaltung (D1, D2; S3, S4) und einen Siebkondensator (C1), wobei pro Hochsetzstellerstufe eine Induktivität (L1a, L1b) vorgesehen ist, wobei die Induktivität (L1a, L1b) jeweils an einen Pol der Wechselspannungsquelle (ACin) geschaltet ist und an einen Knotenpunkt (P3a, P3b) zwischen zwei Halbleiterschaltern (S1a, S2a; S1b, S2b), wobei der erste Halbleiterschalter (S1a, S1b) pro Hochsetzstellerstufe (HSa, HSb) in Reihe mit einem Messwiderstand (R1a, R1b) geschaltet ist, mit einer Signalerzeugungseinheit (110), die Ansteuersignale für die beiden Halbleiterschalter (S1a, S2a; S1b, S2b) pro Hochsetzstellerstufe (HSa, HSb) erzeugt, wobei zur Aufwärtswandlung der Eingangsspannung bei positiver Eingangsspannung (Vin) pro Hochsetzstellerstufe (HSa, HSb) der erste Halbleiterschalter (S1a, S1b) geschlossen wird und der zweite Halbleiterschalter (S1a, S1b) geöffnet wird, um einen Strom durch die Induktivität (L1a) zu treiben zur Aufmagnetisierung der Induktivität (L1a), wobei zur Abmagnetisierung der Induktivität (L1a) der erste Halbleiterschalter (S1a, S1b) geöffnet wird und der zweite Halbleiterschalter (S2a, S2b) geschlossen wird und der Siebkondensator (C1) entsprechend geladen wird, wobei die Signalerzeugungseinheit (110) Mittel aufweist zur Erfassung des Stroms durch den jeweiligen Messwiderstand (R1a, R1b), dadurch gekennzeichnet, dass die Signalerzeugungseinheit (110) eine Ansteuereinheit (113a, 113b) aufweist, die die Hochsetzstellerstufen (HSa, HSb) mit einer gewählten Phasenverschiebung gegeneinander versetzt ansteuern, wobei die Ansteuereinheit (113b) ausgelegt die Periodendauer der Ansteuersignale in der einen Hochsetzstellerstufe (HSb) zu regeln und in der wenigstens einen anderen Hochsetzstellerstufe (HSa) konstant zu halten, und die Aufmagnetisierungszeit in der wenigstens einen anderen Hochsetzstellerstufe (HSa) zu regeln und in der ersten Hochsetzstellerstufe (HSb) konstant zu halten.Step-up converter for a power supply of an electrical consumer with at least two step-up converter stages (HSa, HSb), having a bridgeless rectifier circuit (D1, D2; S3, S4) and a filter capacitor (C1), with one inductor (L1a, L1b) being provided for each step-up converter stage, wherein the inductor (L1a, L1b) is connected to one pole of the AC voltage source (AC in ) and to a node (P3a, P3b) between two semiconductor switches (S1a, S2a; S1b, S2b), the first semiconductor switch (S1a, S1b ) is connected in series with a measuring resistor (R1a, R1b) per step-up converter stage (HSa, HSb), with a signal generation unit (110), the control signals for the two semiconductor switches (S1a, S2a; S1b, S2b) per step-up converter stage (HSa, HSb) generated, the first semiconductor switch (S1a, S1b) being closed and the second for step-up conversion of the input voltage when the input voltage (V in ) is positive for each step-up converter stage (HSa, HSb). Semiconductor switch (S1a, S1b) is opened in order to drive a current through the inductor (L1a) to magnetize the inductor (L1a), the first semiconductor switch (S1a, S1b) and the second semiconductor switch being opened to demagnetize the inductor (L1a). (S2a, S2b) is closed and the filter capacitor (C1) is charged accordingly, the signal generation unit (110) having means for detecting the current through the respective measuring resistor (R1a, R1b), characterized in that the signal generation unit (110) has a control unit (113a, 113b) which drive the step-up converter stages (HSa, HSb) offset with respect to one another with a selected phase shift, the drive unit (113b) being designed to regulate the period of the drive signals in one step-up converter stage (HSb) and in the at least one other step-up converter stage (HSa) constant, and the magnetization time in the at least one other high to regulate step-up converter stage (HSa) and to keep it constant in the first step-up converter stage (HSb). Aufwärtswandler nach Anspruch 1, wobei zur Aufwärtswandlung der Eingangswechselspannung bei negativer Eingangsspannung (Vin) pro Hochsetzstellerstufe (HSa, HSb) der erste Halbleiterschalter (S1a, S1b) geöffnet wird und der zweite Halbleiterschalter (S2a, S2b) geschlossen wird um einen Strom durch die Induktivität (L1a, L1b) zu treiben zur Aufmagnetisierung der Induktivität (L1a, L1 b), wobei zur Abmagnetisierung der Induktivität (L1a, L1b) der erste Halbleiterschalter (S1a, S1b) geschlossen wird und der zweite Halbleiterschalter (S2a, S2b) geöffnet wird und der Siebkondensator (C1) entsprechend geladen wird, und die Signalerzeugungseinheit (110) Mittel aufweist zur Erfassung des Stroms durch den Messwiderstand (R1a, R1b) zum Ende der Phase zur Abmagnetisierung der Induktivität (L1a, L1b).boost converter after claim 1 Wherein, the first semiconductor switch (S1a, S1b) is opened to the up-conversion of the input AC voltage at a negative input voltage (V in) per boost converter stage (HSa, HSb) and the second semiconductor switches (S2a, S2b) is closed by a current through the inductor (L1a, L1b) for magnetizing the inductor (L1a, L1b), with the first semiconductor switch (S1a, S1b) being closed and the second semiconductor switch (S2a, S2b) being opened and the filter capacitor ( C1) is charged accordingly, and the signal generation unit (110) has means for detecting the current through the measuring resistor (R1a, R1b) at the end of the phase for demagnetizing the inductance (L1a, L1b). Aufwärtswandler nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Signalerzeugungseinheit (110) eine Berechnungseinheit (114) aufweist, die die Regelzykluszeit (TP) für die Phasen für Aufmagnetisierung und Abmagnetisierung pro Regelzyklus in Abhängigkeit von der Eingangsspannung (Vin) und Ausgangsspannung (Vout) vorausberechnet, und die Signalerzeugungseinheit (110) weiterhin eine Regelungsstufe (113b) aufweist, die basierend auf der Differenz zwischen dem gemessenen Stromwert (Ib) durch den Messwiderstand (R1b) in der ersten Hochsetzstellerstufe (HSb) und einem Strom-Referenzwert (Iref) einen Korrekturwert (TP_Offset) für die Regelzykluszeit (TP) berechnet.boost converter after claim 1 or 2 , wherein the signal generation unit (110) has a calculation unit (114) which precalculates the control cycle time (T P ) for the phases for magnetization and demagnetization per control cycle as a function of the input voltage (V in ) and output voltage (V out ), and the signal generation unit (110) further comprises a control stage (113b), which based on the difference between the measured current value (I b) through the measuring resistor (R 1b) in the first up converter stage (HSB) and a current reference value (Iref) a correction value (T P_Offset ) for the control cycle time (T P ). Aufwärtswandler nach Anspruch 3, wobei der Korrekturwert (TP_Offset) in einer ersten Zeitgebereinheit (116) der Signalerzeugungseinheit (110) für den nachfolgenden Regelzyklus zur Anwendung kommt, so dass die erste Zeitgebereinheit (116) die Regelzykluszeit (TP) entsprechend verkürzt oder verlängert.boost converter after claim 3 , the correction value (T P_Offset ) being used in a first timer unit (116) of the signal generation unit (110) for the subsequent control cycle, so that the first timer unit (116) shortens or lengthens the control cycle time (T P ) accordingly. Aufwärtswandler nach Anspruch 4, wobei die Signalerzeugungseinheit (110) eine weitere Regelungsstufe (112) aufweist, die aus der Differenz zwischen vorgegebener Ausgangsspannung (VOut_ref) und gemessener Ausgangsspannung (VOut) eine Aufmagnetisierungszeit (TOn) berechnet, die in der wenigstens ersten und zweiten Hochsetzstellerstufe (HSa, HSb) zur Anwendung kommt.boost converter after claim 4 , wherein the signal generation unit (110) has a further control stage (112) which calculates a magnetization time (T On ) from the difference between the specified output voltage (V Out_ref ) and the measured output voltage (V Out ), which is calculated in the at least first and second step-up converter stage ( HSa, HSb) is used. Aufwärtswandler nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die Signalerzeugungseinheit (110) eine weitere Regelungsstufe (113a) aufweist, die basierend auf der Differenz zwischen dem gemessenen Stromwert (Ib) durch den Messwiderstand (R1b) in der ersten Hochsetzstellerstufe (HSb) und dem gemessenen Stromwert (Ia) durch den Messwiderstand (R1a) in der zweiten Hochsetzstellerstufe (HSa) einen Korrekturwert (TOn_A_Offset) für die Aufmagnetisierungszeit (TOn) berechnet, die in der zweiten Hochsetzstellerstufe (HSa) zur Anwendung kommt.Boost converter after one of claims 3 until 5 , wherein the signal generation unit (110) has a further control stage (113a) which is based on the difference between the measured current value (I b ) through the measuring resistor (R1b) in the first step-up converter stage (HSb) and the measured current value (I a ). the measuring resistor (R1a) in the second step-up converter stage (HSa) calculates a correction value (T On_A_Offset ) for the magnetization time (T On ), which is used in the second step-up converter stage (HSa). Aufwärtswandler nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die Signalerzeugungseinheit (110) eine zweite Zeitgebereinheit (115b) aufweist, an die die berechnete Aufmagnetisierungszeit (TOn) weitergeleitet wird, in der die Aufmagnetisierungszeit (TOn) für eine Anzahl nachfolgender Regelzyklen für die erste Hochsetzstellerstufe (HSb) zur Anwendung kommt.Boost converter after one of Claims 4 until 6 , wherein the signal generation unit (110) has a second timer unit (115b) to which the calculated magnetization time (T On ) is forwarded, in which the magnetization time (T On ) for a number of subsequent control cycles for the first step-up converter stage (HSb) is used . Aufwärtswandler nach Anspruch 7, wobei die Signalerzeugungseinheit (110) eine dritte Zeitgebereinheit (115a) aufweist, an die die korrigierte Aufmagnetisierungszeit (TOn_A_offset) weitergeleitet wird, in der die korrigierte Aufmagnetisierungszeit (TOn_A_Offset) für den nachfolgenden Regelzyklus für die zweite Hochsetzstellerstufe (HSa) zur Anwendung kommt.boost converter after claim 7 , wherein the signal generation unit (110) has a third timer unit (115a) to which the corrected magnetization time (T On_A_offset ) is forwarded, in which the corrected magnetization time (T On_A_Offset ) for the subsequent control cycle for the second step-up converter stage (HSa) is applied. Aufwärtswandler nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Anzahl der Regelzyklen, für die die berechnete Aufmagnetisierungszeit (TOn) für die erste Hochsetzstellerstufe (HSb) zur Anwendung kommt, für eine Halbwelle der Eingangswechselspannung gültig ist.boost converter after claim 7 or 8th , where the number of control cycles for which the calculated magnetization time (T On ) for the first step-up converter stage (HSb) is used is valid for one half cycle of the AC input voltage. Aufwärtswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Signalerzeugungseinheit (110) mit einer Eingangswechselspannungs-Erfassungseinheit (117) ausgestattet ist, die zur Ermittlung der Phasenlage der Eingangswechselspannung eingerichtet ist, und die Information über die Phasenlage, insbesondere ob die positive Halbwelle oder negative Halbwelle der Eingangswechselspannung anliegt, an eine Konfigurationseinheit (118) der Signalerzeugungseinheit (110) liefert.Boost converter according to one of the preceding claims, wherein the signal generation unit (110) is equipped with an input AC voltage detection unit (117) which is set up to determine the phase position of the input AC voltage, and the information about the phase position, in particular whether the positive half-wave or negative half-wave of the AC input voltage is present, to a configuration unit (118) of the signal generation unit (110). Aufwärtswandler nach Anspruch 10, wobei die Konfigurationseinheit (118) eingerichtet ist eine Anzahl der Komponenten der Signalerzeugungseinheit (110) zu konfigurieren für den Betrieb bei positiver Eingangsspannung oder bei negativer Eingangsspannung, je nachdem was die Information über die Phasenlage der Eingangswechselspannung angibt.boost converter after claim 10 , wherein the configuration unit (118) is set up to configure a number of the components of the signal generation unit (110) for operation with a positive input voltage or with a negative input voltage, depending on what the information about the phase position of the AC input voltage indicates. Aufwärtswandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Messwiderstand (R1a, R1b) in der wenigstens ersten und zweiten Hochsetzstellerstufe (HSa, HSb) jeweils zwischen den ersten Halbleiterschalter (S1a, S1b) und der Rückleitung zur Eingangswechselspannungsquelle (ACin), an die die Induktivität (L1, L2) nicht angeschlossen ist, geschaltet ist.Boost converter according to one of the preceding claims, wherein the measuring resistor (R1a, R1b) in the at least first and second step-up converter stage (HSa, HSb) in each case between the first semiconductor switch (S1a, S1b) and the return line to the input AC voltage source (AC in ) to which the Inductance (L1, L2) is not connected, is connected. Aufwärtswandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die wenigstens erste und zweite Hochsetzstellerstufe (HSa, HSb) als Induktivität eine Drosselspule (L1a, L1b) aufweist.Boost converter according to one of the preceding claims, wherein the at least first and second step-up converter stage (HSa, HSb) has a choke coil (L1a, L1b) as inductance. Stromversorgung eines elektrischen Verbrauchers, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromversorgung (SNG) einen Aufwärtswandler (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche aufweist, wobei der Aufwärtswandler (100) zur Leistungsfaktor-Vorregelung in der Stromversorgung dient.Power supply for an electrical consumer, characterized in that the power supply (SNG) has a step-up converter (100) according to one of the preceding claims, the step-up converter (100) being used for power factor pre-regulation in the power supply. Stromversorgung nach Anspruch 14, wobei die Stromversorgung (SNG) als Schaltnetzgerät ausgelegt ist.power supply after Claim 14 , whereby the power supply (SNG) is designed as a switching power supply. Verfahren zur Aufwärtswandlung der Eingangsspannung in einer Stromversorgung eines elektrischen Verbrauchers, die einen mehrstufigen Aufwärtswandler (100) mit wenigstens zwei Hochsetzstellerstufen (HSa, HSb) aufweist, mit einer Gleichrichterschaltung (D1, D2; S3, S4) und einem Siebkondensator (C1), wobei pro Hochsetzstellerstufe (HSa, HSb) eine Induktivität (L1a, L1b) vorgesehen ist, wobei die Induktivität (L1a, L1b) jeweils an einen Pol der Wechselspannungsquelle (ACin) geschaltet ist und an einen Knotenpunkt (P3a, P3b) zwischen zwei Halbleiterschaltern (S1a, S2a; S1b, S2b), wobei der erste Halbleiterschalter (S1a, S1b) pro Hochsetzstellerstufe (HSa, HSb) in Reihe mit einem Messwiderstand (R1a, R1b) geschaltet ist, mit einer Signalerzeugungseinheit (110) von der Ansteuersignale für die beiden Halbleiterschalter (S1a, S2a; S1b, S2b) pro Hochsetzstellerstufe (HSa, HSb) erzeugt werden, wobei zur Aufwärtswandlung der Eingangsspannung bei positiver Eingangsspannung (Vin) pro Hochsetzstellerstufe (HSa, HSb) der erste Halbleiterschalter (S1a, S1b) geschlossen wird und der zweite Halbleiterschalter (S1a, S1b) geöffnet wird, um einen Strom durch die Induktivität (L1a, L1b) zu treiben zur Aufmagnetisierung der Induktivität (L1a, L1b), wobei zur Abmagnetisierung der Induktivität (L1a, L1b) der erste Halbleiterschalter (S1a, S1b) geöffnet wird und der zweite Halbleiterschalter (S2a, S2b) geschlossen wird und der Siebkondensator (C1) entsprechend geladen wird, wobei der Strom durch den jeweiligen Messwiderstand (R1a, R1b) von der Signalerzeugungseinheit (110) erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalerzeugungseinheit (110) eine Ansteuereinheit (113a, 113b) aufweist, von der die Hochsetzstellerstufen (HSa, HSb) mit einer gewählten Phasenverschiebung gegeneinander versetzt angesteuert werden, wobei die Periodendauer der Ansteuersignale in der einen Hochsetzstellerstufe (HSb) von der Ansteuereinheit (113b) geregelt wird und in der wenigstens einen anderen Hochsetzstellerstufe (HSa) konstant gehalten wird, und die Aufmagnetisierungszeit in der wenigstens einen anderen Hochsetzstellerstufe (HSa) geregelt wird und in der ersten Hochsetzstellerstufe (HSb) konstant gehalten wird.Method for step-up conversion of the input voltage in a power supply of an electrical consumer, which has a multi-stage step-up converter (100) with at least two step-up converter stages (HSa, HSb), with a rectifier circuit (D1, D2; S3, S4) and a filter capacitor (C1), wherein one inductance (L1a, L1b) is provided for each step-up converter stage (HSa, HSb), the inductance (L1a, L1b) being connected to one pole of the AC voltage source (AC in ) and to a node (P3a, P3b) between two semiconductor switches ( S1a, S2a; S1b, S2b), wherein the first semiconductor switch (S1a, S1b) per step-up converter stage (HSa, HSb) is connected in series with a measuring resistor (R1a, R1b), with a signal generation unit (110) from the control signals for the two Semiconductor switches (S1a, S2a; S1b, S2b) per step-up converter stage (HSa, HSb) are produced, with step-up conversion of the input voltage given a positive input voltage (V in ) per step-up step eller stage (HSa, HSb) the first semiconductor switch (S1a, S1b) is closed and the second semiconductor switch (S1a, S1b) is opened in order to drive a current through the inductor (L1a, L1b) to magnetize the inductor (L1a, L1b) , the first semiconductor switch (S1a, S1b) being opened and the second semiconductor switch (S2a, S2b) being closed and the filter capacitor (C1) being charged accordingly in order to demagnetize the inductance (L1a, L1b), the current flowing through the respective measuring resistor ( R1a, R1b) is detected by the signal generation unit (110), characterized in that the signal generation unit (110) has a drive unit (113a, 113b) by which the step-up converter stages (HSa, HSb) are driven offset with a selected phase shift relative to one another, wherein the period of the drive signals in one step-up converter stage (HSb) is controlled by the drive unit (113b) and in the at least one other step-up controller stage (HSa) is kept constant, and the magnetization time in the at least one other step-up converter stage (HSa) is regulated and in the first step-up converter stage (HSb) is kept constant.
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